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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 ein Schlüsselring aus Stahl, ein Stück Aluminiumfolie und ein Goldring. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSein Schlüsselring aus Stahlein Stück Aluminiumfolieein Goldring?
Schritt für Schritt
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur der Schlüsselring.
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur der Schlüsselring.
Ergebnis:
nur der Schlüsselring

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
    Neben einem Magneten liegen ein Eisennagel, ein Goldring und eine Aluminiumdose. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Eisennagelein Goldringeine Aluminiumdose?
    So fängst du an:
    Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    Lösung zeigen
    1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
    3. Also nur der Eisennagel.
    Ergebnis:
    nur der Eisennagel
  2. ●2
    Neben einem Magneten liegen eine Stahlschraube, ein Kupferdraht und ein Stück Aluminiumfolie. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSeine Stahlschraubeein Kupferdrahtein Stück Aluminiumfolie?
    Lösung zeigen
    1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
    2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
    3. Also nur die Stahlschraube.
    Ergebnis:
    nur die Stahlschraube
  3. ★3
    Auf einem Segelboot zeigt der Nordpol einer Kompassnadel nach Norden. Welcher magnetische Pol liegt also in der Nähe des geografischen Nordpols?
    geografischer Nordenmagnetischer Pol: ?N
    Lösung zeigen
    1. Die Kompassnadel ist ein kleiner Magnet.
    2. Ihr Nordpol wird angezogen, also von einem ungleichnamigen Pol.
    3. Im Norden liegt deshalb ein magnetischer Südpol.
    Ergebnis:
    Ein magnetischer Südpol.

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

In einer Spule mit 100 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,8 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 4 A? Berechne mit Einheit.
N = 100I = 4 AB = ?vorher: 1 A, 0,8 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
  2. 4 A : 1 A = 4
  3. B = 4 · 0,8 mT = 3,2 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
  2. 4 A : 1 A = 4
  3. B = 4 · 0,8 mT = 3,2 mT
Ergebnis:
3,2 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 2 A innen 0,8 mT. Eine gleich lange Spule hat 1600 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 1600I = 2 AB = ?vorher: 400 Windungen, 0,8 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. 1600 : 400 = 4
    3. B = 4 · 0,8 mT = 3,2 mT
    Ergebnis:
    3,2 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 400 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 2 AB = ?vorher: 1 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 1 A = 2
    3. B = 2 · 0,6 mT = 1,2 mT
    Ergebnis:
    1,2 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,6 mT. Eine gleich lange Spule hat 800 Windungen und 6 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 800I = 6 AB = ?Vergleich: 400 Windungen, 2 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 800 : 400 = 2, Strom: 6 A : 2 A = 3
    3. B = 0,6 mT · 2 · 3 = 3,6 mT
    Ergebnis:
    3,6 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?

Ein Magnet dreht sich vor einer Spule. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
NSVU = ?N = 300
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
    Eine Spule wird über einen ruhenden Magneten geschoben. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 300
    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 wird aus einer Spule herausgezogen. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 1200
    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.
  3. ★9
    Zwei Spulen sitzen auf einem Eisenkern. In der ersten fließt dauernd ein Gleichstrom aus einer 12-V-Batterie. Zeigt ein Messgerät an der zweiten Spule eine Spannung? Begründe.
    primärsekundärBatterie 12 VStrom fließt dauerndU = ?
    Lösung zeigen
    1. Der Strom in der ersten Spule erzeugt ein Magnetfeld im Eisenkern.
    2. Bei konstantem Gleichstrom bleibt dieses Feld gleich.
    3. Ohne Änderung keine Spannung: Ein Transformator braucht Wechselspannung.
    Ergebnis:
    Nein, ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld.

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 Aufzug fährt nach oben. Arbeitet die Maschine am Aufzug als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Aufzug??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 Akkuschrauber dreht eine Schraube in ein Brett. Arbeitet die Maschine im Akkuschrauber als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Akkuschrauber??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
    Eine elektrische Zahnbürste putzt die Zähne. Arbeitet die Maschine in der Zahnbürste als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Zahnbürste??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 Spielzeugmotor wird an eine Leuchtdiode angeschlossen und mit der Hand schnell gedreht. Was geschieht?
    MotorHand dreht?Wärme
    Lösung zeigen
    1. Im Motor drehen sich Spule und Magnet gegeneinander.
    2. Dabei ändert sich das Magnetfeld in der Spule, eine Spannung wird induziert.
    3. Die Hand liefert die Energie, der Motor wandelt sie in elektrische Energie.
    Ergebnis:
    Sie leuchtet schwach: Der Motor arbeitet als Generator.

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 Elektromotor nimmt 400 J elektrische Energie auf und gibt 280 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
400 J280 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 400 J − 280 J = 120 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 400 J − 280 J = 120 J
Ergebnis:
120 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 1200 J Bewegungsenergie auf und gibt 1080 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    1200 J1080 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. 1200 J − 1080 J = 120 J
    Ergebnis:
    120 J
  2. ●14
    Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 400 J elektrische Energie auf und gibt 240 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    400 J240 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 400 J − 240 J = 160 J
    Ergebnis:
    160 J
  3. ★15
    Ein Elektromotor nimmt 500 W auf und gibt 300 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 5 Minuten? Berechne mit Einheit.
    500 W300 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 500 W − 300 W = 200 W, 5 min = 300 s
    3. E = 200 W · 300 s = 60.000 J = 60 kJ
    Ergebnis:
    60 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 2 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 2 VN₁ = 1200U₂ = ?N₂ = 600
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 1200
  3. U₂ = 2 V · 600 : 1200 = 1 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 1200
  3. U₂ = 2 V · 600 : 1200 = 1 V
Ergebnis:
1 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
    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
    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 = 60 : 4600
    3. U₂ = 230 V · 60 : 4600 = 3 V
    Ergebnis:
    3 V
  2. ●17
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 2300 Windungen primär und 120 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 2300U₂ = ?N₂ = 120
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 120 : 2300
    3. U₂ = 230 V · 120 : 2300 = 12 V
    Ergebnis:
    12 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 5000 Windungen auf der Seite mit 20 kV und 50 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 20 kVN₁ = 5000U₂ = ?N₂ = 50
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 20 kV = 20.000 V
    3. U₂ = 20.000 V · 50 : 5000 = 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 200 Windungen primär und 20 Windungen sekundär. Sekundär fließen 1 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 20I₂ = 1 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 20 : 200
  3. I₁ = 0,1 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 20 : 200
  3. I₁ = 0,1 A
Ergebnis:
0,1 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 400 Windungen primär und 1000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 1000I₂ = 5 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 = 5 A · 1000 : 400
    3. I₁ = 12,5 A
    Ergebnis:
    12,5 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 1 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 1 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 40 : 200
    3. I₁ = 0,2 A
    Ergebnis:
    0,2 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 20 kV in 380 kV um (ideal). Auf der 20-kV-Seite fließen 760 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 20 kVI₁ = 760 AU₂ = 380 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 760 A · 20 kV : 380 kV
    3. I₂ = 40 A
    Ergebnis:
    40 A

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●22
    Zwei Magnete an Spielzeugwaggons 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.
  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 2 A innen 0,4 mT. Eine gleich lange Spule hat 800 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 800I = 2 AB = ?vorher: 400 Windungen, 0,4 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 800 : 400 = 2
    3. B = 2 · 0,4 mT = 0,8 mT
    Ergebnis:
    0,8 mT
  4. ●25
    Ein Schrottkran hebt Autoteile aus Stahl mit einem Elektromagneten an. Wie lässt er sie am Ziel wieder los?
    EisenkernN = 300I
    Lösung zeigen
    1. Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Eisenkern.
    2. Nur solange Strom fließt, hat er ein Magnetfeld.
    3. Strom aus: Das Feld verschwindet, die Last fällt ab.
    Ergebnis:
    Er schaltet den Strom in der Spule ab.
  5. ●26
    Ein Stabmagnet liegt ruhig in einer Spule. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 1200
    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.
  6. ●27
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 200 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,8 V. Wie viel zeigt es bei einem doppelt so starken Magneten, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 200
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Stärke des Magneten.
    2. doppelt so stark heißt mal 2
    3. U = 2 · 0,8 V = 1,6 V
    Ergebnis:
    1,6 V

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
    Zwei Stabmagnete werden so zusammengeschoben, dass sich ein Nordpol und ein Südpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNSN?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sie ziehen sich an.

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 1,2 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 6 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 6 AB = ?vorher: 2 A, 1,2 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    3,6 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    Ein Magnet liegt vor einer Spule, nichts bewegt sich. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 300
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Elektroroller fährt bergauf. Arbeitet die Maschine im Roller als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Roller??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Fahrraddynamo nimmt 200 J Bewegungsenergie auf und gibt 140 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    200 J140 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    60 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 4600 Windungen primär und 50 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 4600U₂ = ?N₂ = 50
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,5 V

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

    34
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 1000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 1 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 1000I₂ = 1 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    5 A

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

Lösungen

  1. nur der Eisennagel
  2. nur die Stahlschraube
  3. Ein magnetischer Südpol.
  4. 3,2 mT
  5. 1,2 mT
  6. 3,6 mT
  7. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  8. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  9. Nein, ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld.
  10. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  11. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  12. Sie leuchtet schwach: Der Motor arbeitet als Generator.
  13. 120 J
  14. 160 J
  15. 60 kJ
  16. 3 V
  17. 12 V
  18. 200 V
  19. 12,5 A
  20. 0,2 A
  21. 40 A
  22. Sie stoßen sich ab.
  23. entlang der Linie in Richtung Südpol
  24. 0,8 mT
  25. Er schaltet den Strom in der Spule ab.
  26. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  27. 1,6 V
  28. Sie ziehen sich an.
  29. 3,6 mT
  30. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  31. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  32. 60 J
  33. 2,5 V
  34. 5 A