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Physik · Klasse 10 · Kapitel

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Magnetfelder und Induktion

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
  • Merken kommt ins Heft
  • Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
  • Üben selbst rechnen
  • Achtung typischer Fehler
  • Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich beschreibe Magnetfelder mit Feldlinien.

MerkenFeldlinien

Feldlinien laufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.

Sie schneiden sich nie – wo sie dicht liegen, ist das Feld stark.

BeispielMagnetpole und Kompass

Neben einem Magneten liegen eine Büroklammer aus Stahl, ein Messingschlüssel und ein Stück Aluminiumfolie. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSeine Büroklammer aus Stahlein Messingschlüsselein Stück Aluminiumfolie?
Schritt für Schritt
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur die Büroklammer.
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur die Büroklammer.
Ergebnis:
nur die Büroklammer

AchtungAlle Metalle sind magnetisch

So nicht
Magnet zieht Aluminium, Kupfer und Eisen an.
So richtig
Eisen, Nickel, Stahl → angezogen; Aluminium, Kupfer → nicht angezogen

Frag, woraus der Gegenstand ist. Nur Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt werden angezogen.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    Zwei Ringmagnete auf einem Holzstab werden so zusammengeschoben, dass sich ein Südpol und ein Nordpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    NSNS?
    So fängst du an:
    Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    Lösung zeigen
    1. Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    2. Südpol und Nordpol sind ungleichnamig.
    3. Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
    Ergebnis:
    Sie ziehen sich an.
  2. ●2
    Zwei Stabmagnete werden so zusammengeschoben, dass sich ein Südpol und ein Südpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    NSSN?
    Lösung zeigen
    1. Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    2. Südpol und Südpol sind gleichnamig.
    3. Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.
  3. ★3
    Ein Kompass liegt rechts neben dem Südpol eines Stabmagneten. Wohin zeigt der Nordpol der Kompassnadel? Begründe.
    NS?Kompass
    Lösung zeigen
    1. Die Kompassnadel ist selbst ein kleiner Magnet mit Nordpol und Südpol.
    2. Ihr Nordpol trifft auf den Südpol des Magneten: ungleichnamig.
    3. Zum Magneten hin, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
    Ergebnis:
    Zum Magneten hin, ungleichnamige Pole ziehen sich an.

2Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

MerkenSpule

Eine stromdurchflossene Spule hat ein Magnetfeld wie ein Stabmagnet.

Mehr Windungen und mehr Strom bedeuten ein stärkeres Feld.

BeispielMagnetfeld einer Spule

Eine Spule mit 300 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,6 mT. Eine gleich lange Spule hat 900 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
N = 900I = 2 AB = ?vorher: 300 Windungen, 0,6 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 0,6 mT = 1,8 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 0,6 mT = 1,8 mT
Ergebnis:
1,8 mT

AchtungVerhältnis umgekehrt angesetzt

So nicht
N₁ = 1000, N₂ = 50, U₁ = 230 V: U₂ = 230 V · 1000 : 50
So richtig
U₂ = 230 V · 50 : 1000 = 11,5 V

Schätz zuerst: Muss das Ergebnis größer oder kleiner werden? Dann wähle die Richtung des Verhältnisses.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 0,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 800 Windungen, auch 0,5 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 800I = 0,5 AB = ?vorher: 400 Windungen, 0,5 mT
    So fängst du an:
    Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 800 : 400 = 2
    3. B = 2 · 0,5 mT = 1 mT
    Ergebnis:
    1 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 100 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 1,5 A? Berechne mit Einheit.
    N = 100I = 1,5 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 1,5 A : 0,5 A = 3
    3. B = 3 · 0,6 mT = 1,8 mT
    Ergebnis:
    1,8 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 300 Windungen erzeugt bei 1 A innen 1,2 mT. Eine gleich lange Spule hat 600 Windungen und 2 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 600I = 2 AB = ?Vergleich: 300 Windungen, 1 A, 1,2 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 600 : 300 = 2, Strom: 2 A : 1 A = 2
    3. B = 1,2 mT · 2 · 2 = 4,8 mT
    Ergebnis:
    4,8 mT

3Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

MerkenInduktion

Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld durch die Spule ÄNDERT.

Ein ruhender Magnet induziert nichts.

BeispielWann wird eine Spannung induziert?

Eine Spule wird über einen ruhenden Magneten geschoben. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
NSVU = ?N = 600
Schritt für Schritt
  1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
  3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
  1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
  3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
Ergebnis:
Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.

AchtungInduktion ohne Änderung des Feldes

So nicht
Magnet liegt ruhig in der Spule → Spannung
So richtig
Magnet ruht → Feld in der Spule gleich → keine Spannung; nur beim Bewegen

Frag nur eins: Ändert sich das Magnetfeld in der Spule gerade? Ohne Änderung keine Spannung.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Ein Magnet dreht sich vor einer Spule. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 600
    So fängst du an:
    Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier ändert sich das Feld in der Spule, weil sich Magnet oder Spule bewegen.
    3. Also zeigt das Messgerät eine Spannung.
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  2. ●8
    Ein Stabmagnet liegt ruhig in einer Spule. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 600
    Lösung zeigen
    1. Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
    2. Hier bewegt sich nichts, das Feld in der Spule bleibt gleich.
    3. Also zeigt das Messgerät keine Spannung.
    Ergebnis:
    Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  3. ★9
    Ein Magnet und eine Spule mit 300 Windungen sind fest auf einem Förderband befestigt und fahren gleich schnell. Zeigt ein Messgerät an der Spule eine Spannung? Begründe.
    NSVbeide gleich schnellU = ?N = 300
    Lösung zeigen
    1. Entscheidend ist, ob sich das Magnetfeld IN der Spule ändert.
    2. Magnet und Spule bleiben am selben Abstand, das Feld in der Spule bleibt gleich.
    3. Also wird keine Spannung induziert, auch wenn sich beide bewegen.
    Ergebnis:
    Nein, Magnet und Spule bewegen sich nicht gegeneinander.

4Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

MerkenGenerator

Im Generator dreht sich eine Spule im Magnetfeld.

Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie – der Motor ist derselbe Aufbau rückwärts.

BeispielGenerator oder Elektromotor?

Ein Mixer rührt Teig. Arbeitet die Maschine im Mixer als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Mixer??Wärme
Schritt für Schritt
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
  3. Das ist ein Elektromotor.
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
  3. Das ist ein Elektromotor.
Ergebnis:
als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

AchtungGenerator und Motor verwechselt

So nicht
Fahrraddynamo: elektrische Energie → Bewegung
So richtig
Fahrraddynamo: Bewegungsenergie → elektrische Energie (Generator)

Frag, was hineingeht: Bewegung hinein heißt Generator, elektrische Energie hinein heißt Motor.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Ein Spielzeugauto mit Akku fährt über den Boden. Arbeitet die Maschine im Auto als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Auto??Wärme
    So fängst du an:
    Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    Lösung zeigen
    1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
    3. Das ist ein Elektromotor.
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  2. ●11
    Ein Aufzug fährt nach oben. Arbeitet die Maschine am Aufzug als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Aufzug??Wärme
    Lösung zeigen
    1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
    3. Das ist ein Elektromotor.
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  3. ★12
    Ein Pedelec lädt beim Bremsen seinen Akku. Was geschieht dabei im Antrieb?
    Antrieb??Wärme
    Lösung zeigen
    1. Motor und Generator sind gleich gebaut: Spule und Magnet.
    2. Wird die Maschine von den Rädern gedreht, wird in ihr eine Spannung induziert.
    3. Sie macht aus Bewegungsenergie elektrische Energie für den Akku, das Fahrzeug bremst.
    Ergebnis:
    Der Motor arbeitet als Generator: Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie.

5Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

MerkenMotor

Im Motor wird ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld abgelenkt.

Elektrische Energie wird zu Bewegung – der Generator ist derselbe Aufbau vorwärts.

BeispielEnergiebilanz eines Wandlers

Ein Fahrraddynamo nimmt 1000 J Bewegungsenergie auf und gibt 900 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
1000 J900 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1000 J − 900 J = 100 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1000 J − 900 J = 100 J
Ergebnis:
100 J

AchtungEnergie wird erzeugt

So nicht
Generator: 500 J hinein, 600 J heraus
So richtig
500 J hinein = 400 J elektrisch + 100 J Wärme

Zeichne den Energiepfeil: Was herauskommt, muss vorher hineingegangen sein, ein Teil wird Wärme.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Ein Generator nimmt 400 J Bewegungsenergie auf und gibt 280 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    400 J280 JWärme: ?
    So fängst du an:
    Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 400 J − 280 J = 120 J
    Ergebnis:
    120 J
  2. ●14
    Ein Elektromotor nimmt 500 J elektrische Energie auf und gibt 350 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    500 J350 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 500 J − 350 J = 150 J
    Ergebnis:
    150 J
  3. ★15
    Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 1000 W auf und gibt 800 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 2 Minuten? Berechne mit Einheit.
    1000 W800 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 1000 W − 800 W = 200 W, 2 min = 120 s
    3. E = 200 W · 120 s = 24.000 J = 24 kJ
    Ergebnis:
    24 kJ

6Ich berechne Spannungen am Transformator.

MerkenTransformator

U₁ : U₂ = n₁ : n₂. Mehr Windungen bedeuten mehr Spannung – aber die Leistung wird dabei nicht größer.

BeispielTransformator: Spannung

Im Schulversuch hat ein Transformator 1200 Windungen primär und 600 Windungen sekundär. Primär liegen 4 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 4 VN₁ = 1200U₂ = ?N₂ = 600
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 1200
  3. U₂ = 4 V · 600 : 1200 = 2 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 1200
  3. U₂ = 4 V · 600 : 1200 = 2 V
Ergebnis:
2 V

AchtungGrößen verwechselt

So nicht
Masse = 50 N
So richtig
Masse m = 5 kg, Gewichtskraft F = 50 N

Schreib zuerst auf: gegeben und gesucht, jeweils mit Formelzeichen und Einheit.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    Im Schulversuch hat ein Transformator 1200 Windungen primär und 600 Windungen sekundär. Primär liegen 6 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 6 VN₁ = 1200U₂ = ?N₂ = 600
    So fängst du an:
    U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 600 : 1200
    3. U₂ = 6 V · 600 : 1200 = 3 V
    Ergebnis:
    3 V
  2. ●17
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 1150 Windungen primär und 100 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 1150U₂ = ?N₂ = 100
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 100 : 1150
    3. U₂ = 230 V · 100 : 1150 = 20 V
    Ergebnis:
    20 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 2000 Windungen auf der Seite mit 20 kV und 20 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 20 kVN₁ = 2000U₂ = ?N₂ = 20
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 20 kV = 20.000 V
    3. U₂ = 20.000 V · 20 : 2000 = 200 V
    Ergebnis:
    200 V

7Ich erkläre, warum Strom mit Hochspannung transportiert wird.

MerkenHochspannung

Bei gleicher Leistung fließt bei hoher Spannung wenig Strom.

Weil die Verlustwärme mit I² wächst, spart Hochspannung Energie im Netz.

BeispielTransformator: Stromstärke

Ein idealer Transformator hat 100 Windungen primär und 20 Windungen sekundär. Sekundär fließen 4 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 100I₁ = ?N₂ = 20I₂ = 4 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 4 A · 20 : 100
  3. I₁ = 0,8 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 4 A · 20 : 100
  3. I₁ = 0,8 A
Ergebnis:
0,8 A

AchtungHochspannung transportiert mehr Strom

So nicht
10 kV → 110 kV: der Strom wird elfmal größer
So richtig
10 kV → 110 kV: die Leistung bleibt, der Strom wird elfmal kleiner

Halte die Leistung fest: U · I bleibt gleich. Wird U größer, muss I kleiner werden.

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Ein idealer Transformator hat 1200 Windungen primär und 2000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 3 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 1200I₁ = ?N₂ = 2000I₂ = 3 A
    So fängst du an:
    Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 3 A · 2000 : 1200
    3. I₁ = 5 A
    Ergebnis:
    5 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 2000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 2000I₂ = 5 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 5 A · 2000 : 200
    3. I₁ = 50 A
    Ergebnis:
    50 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 10 kV in 220 kV um (ideal). Auf der 10-kV-Seite fließen 2200 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVI₁ = 2200 AU₂ = 220 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 2200 A · 10 kV : 220 kV
    3. I₂ = 100 A
    Ergebnis:
    100 A

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●22
    Zwei Würfelmagnete werden so zusammengeschoben, dass sich ein Nordpol und ein Nordpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNNS?
    Lösung zeigen
    1. Schau, welche Pole sich gegenüberstehen.
    2. Nordpol und Nordpol sind gleichnamig.
    3. Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.
  2. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Stabmagneten an der Tafel. Wohin zeigt der Nordpol einer kleinen Kompassnadel, die außen auf einer Feldlinie liegt?
    NSP
    Lösung zeigen
    1. Feldlinien geben die Richtung an, in die der Nordpol einer Kompassnadel zeigt.
    2. Der Nordpol der Nadel wird vom Südpol des Magneten angezogen.
    3. Außen laufen die Feldlinien deshalb vom Nordpol zum Südpol.
    Ergebnis:
    entlang der Linie in Richtung Südpol
  3. ●24
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 1 A innen 0,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 1600 Windungen, auch 1 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 1600I = 1 AB = ?vorher: 400 Windungen, 0,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 1600 : 400 = 4
    3. B = 4 · 0,5 mT = 2 mT
    Ergebnis:
    2 mT
  4. ●25
    Links neben einer Spule mit 400 Windungen liegt ein Kompass. Durch die Spule fließt kein Strom. Wohin zeigt die Nadel?
    N = 400I = 0 AKompass daneben: ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Spule ist nur dann ein Magnet, wenn Strom fließt.
    2. Hier fließt kein Strom: Die Spule hat kein Feld.
    3. Die Nadel richtet sich nach dem Feld der Erde.
    Ergebnis:
    Nach Norden, ohne Strom hat die Spule kein Magnetfeld.
  5. ●26
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 300 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,3 V. Wie viel zeigt es bei 900 Windungen, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 900
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 900 : 300 = 3
    3. U = 3 · 0,3 V = 0,9 V
    Ergebnis:
    0,9 V
  6. ●27
    Ein Elektroroller fährt bergauf. Arbeitet die Maschine im Roller als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Roller??Wärme
    Lösung zeigen
    1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
    2. Hinein geht elektrische Energie, heraus kommt Bewegung.
    3. Das ist ein Elektromotor.
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Feldlinien
Feldlinien laufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.
Spule
Eine stromdurchflossene Spule hat ein Magnetfeld wie ein Stabmagnet.
Induktion
Eine Spannung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld durch die Spule ÄNDERT.
Generator
Im Generator dreht sich eine Spule im Magnetfeld.
Motor
Im Motor wird ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld abgelenkt.
Transformator
U₁ : U₂ = n₁ : n₂. Mehr Windungen bedeuten mehr Spannung – aber die Leistung wird dabei nicht größer.
Hochspannung
Bei gleicher Leistung fließt bei hoher Spannung wenig Strom.

AchtungInduktion ohne Änderung erwartet

So nicht
Magnet liegt in der Spule → U = 2 V werden induziert
So richtig
Magnet liegt still → U = 0 V. Erst die Änderung induziert.

Ein ruhender Magnet in einer Spule induziert nichts. Erst die Änderung erzeugt Spannung.

AchtungWindungsverhältnis umgekehrt angesetzt

So nicht
n₁ = 1000, n₂ = 200, U₁ = 230 V → U₂ = 230 · 1000 : 200 = 1150 V
So richtig
U₂ = U₁ · n₂ : n₁ = 230 · 200 : 1000 = 46 V

Mehr Windungen, mehr Spannung. Wer das Verhältnis dreht, bekommt das Ergebnis um den Faktor n² daneben.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich beschreibe Magnetfelder mit Feldlinien.

    28
    Neben einem Magneten liegen ein Messingschlüssel, ein Kupferdraht und ein Schlüsselring aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsselein Kupferdrahtein Schlüsselring aus Stahl?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    nur der Schlüsselring

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    Eine Spule mit 300 Windungen erzeugt bei 2 A innen 1,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 900 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 900I = 2 AB = ?vorher: 300 Windungen, 1,5 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4,5 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    Ein Magnet liegt vor einer Spule, nichts bewegt sich. Die Spule hat 600 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 600
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Windrad dreht sich im Wind und liefert Strom. Arbeitet die Maschine im Windrad als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Windrad??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Fahrraddynamo nimmt 1200 J Bewegungsenergie auf und gibt 720 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    1200 J720 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    480 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 4600 Windungen primär und 60 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 4600U₂ = ?N₂ = 60
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3 V

  7. Ich erkläre, warum Strom mit Hochspannung transportiert wird.

    34
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 1000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 0,5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 1000I₂ = 0,5 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,5 A

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Lösungen

  1. Sie ziehen sich an.
  2. Sie stoßen sich ab.
  3. Zum Magneten hin, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
  4. 1 mT
  5. 1,8 mT
  6. 4,8 mT
  7. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  8. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  9. Nein, Magnet und Spule bewegen sich nicht gegeneinander.
  10. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  11. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  12. Der Motor arbeitet als Generator: Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie.
  13. 120 J
  14. 150 J
  15. 24 kJ
  16. 3 V
  17. 20 V
  18. 200 V
  19. 5 A
  20. 50 A
  21. 100 A
  22. Sie stoßen sich ab.
  23. entlang der Linie in Richtung Südpol
  24. 2 mT
  25. Nach Norden, ohne Strom hat die Spule kein Magnetfeld.
  26. 0,9 V
  27. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  28. nur der Schlüsselring
  29. 4,5 mT
  30. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  31. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  32. 480 J
  33. 3 V
  34. 2,5 A