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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 Aluminiumdose, ein Kupferdraht und ein Schlüsselring aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSeine Aluminiumdoseein Kupferdrahtein Schlüsselring aus Stahl?
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 Stück Aluminiumfolie, eine Aluminiumdose und ein Eisennagel. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Stück Aluminiumfolieeine Aluminiumdoseein Eisennagel?
    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 ein Kupferdraht, ein Messingschlüssel und eine Büroklammer aus Stahl. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Kupferdrahtein Messingschlüsseleine Büroklammer aus Stahl?
    Lösung zeigen
    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
  3. ★3
    Ein Kompass liegt rechts neben dem Südpol eines Hufeisenmagneten. 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

In einer Spule mit 400 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 1,2 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 8 A? Berechne mit Einheit.
N = 400I = 8 AB = ?vorher: 2 A, 1,2 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
  2. 8 A : 2 A = 4
  3. B = 4 · 1,2 mT = 4,8 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
  2. 8 A : 2 A = 4
  3. B = 4 · 1,2 mT = 4,8 mT
Ergebnis:
4,8 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
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,4 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 2 AB = ?vorher: 1 A, 0,4 mT
    So fängst du an:
    Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 1 A = 2
    3. B = 2 · 0,4 mT = 0,8 mT
    Ergebnis:
    0,8 mT
  2. ●5
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 2 A innen 1,2 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, 1,2 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 800 : 400 = 2
    3. B = 2 · 1,2 mT = 2,4 mT
    Ergebnis:
    2,4 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 200 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 1,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 400 Windungen und 1,5 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 1,5 AB = ?Vergleich: 200 Windungen, 0,5 A, 1,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 400 : 200 = 2, Strom: 1,5 A : 0,5 A = 3
    3. B = 1,5 mT · 2 · 3 = 9 mT
    Ergebnis:
    9 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 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
    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
    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 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.
  2. ●8
    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
    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
    Ein Magnet wird mit dem Nordpol voran in eine Spule mit 600 Windungen geschoben, der Zeiger schlägt nach links aus. Wohin schlägt er beim Herausziehen? Begründe.
    NSVvorher: Zeiger links, jetzt ?N = 600
    Lösung zeigen
    1. Beim Hineinschieben wird das Feld in der Spule stärker.
    2. Beim Herausziehen wird es schwächer: Die Änderung ist umgekehrt.
    3. Also ist auch die Spannung umgekehrt: Der Zeiger schlägt nach rechts aus.
    Ergebnis:
    Nach rechts, denn das Feld nimmt jetzt ab.

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?

Am Fahrradtrainer lädt jemand beim Treten ein Handy. Arbeitet die Maschine am Trainer als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Trainer??Wärme
Schritt für Schritt
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
  3. Das ist ein Generator.
  1. Frag, welche Energie hineingeht und welche herauskommt.
  2. Hinein geht Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
  3. Das ist ein Generator.
Ergebnis:
als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie

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 Notstromaggregat: Ein Dieselmotor dreht eine Maschine, die Strom liefert. Arbeitet die Maschine am Dieselmotor als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Dieselmotor??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 Bewegung, heraus kommt elektrische Energie.
    3. Das ist ein Generator.
    Ergebnis:
    als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  2. ●11
    Eine Waschmaschine schleudert die Wäsche. Arbeitet die Maschine in der Waschmaschine als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Waschmaschine??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 Motor aus dem Baukasten 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

Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 200 J elektrische Energie auf und gibt 150 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
200 J150 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 200 J − 150 J = 50 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 200 J − 150 J = 50 J
Ergebnis:
50 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
    Der Motor eines Akkuschraubers nimmt 800 J elektrische Energie auf und gibt 640 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    800 J640 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. 800 J − 640 J = 160 J
    Ergebnis:
    160 J
  2. ●14
    Ein Fahrraddynamo nimmt 200 J Bewegungsenergie auf und gibt 150 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    200 J150 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 200 J − 150 J = 50 J
    Ergebnis:
    50 J
  3. ★15
    Ein Elektromotor nimmt 1000 W auf und gibt 600 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 2 Minuten? Berechne mit Einheit.
    1000 W600 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 1000 W − 600 W = 400 W, 2 min = 120 s
    3. E = 400 W · 120 s = 48.000 J = 48 kJ
    Ergebnis:
    48 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 300 Windungen primär und 600 Windungen sekundär. Primär liegen 2 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 2 VN₁ = 300U₂ = ?N₂ = 600
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 300
  3. U₂ = 2 V · 600 : 300 = 4 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 300
  3. U₂ = 2 V · 600 : 300 = 4 V
Ergebnis:
4 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 150 Windungen sekundär. Primär liegen 6 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 6 VN₁ = 1200U₂ = ?N₂ = 150
    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 = 150 : 1200
    3. U₂ = 6 V · 150 : 1200 = 0,75 V
    Ergebnis:
    0,75 V
  2. ●17
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 4600 Windungen primär und 200 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 4600U₂ = ?N₂ = 200
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 200 : 4600
    3. U₂ = 230 V · 200 : 4600 = 10 V
    Ergebnis:
    10 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 2500 Windungen auf der Seite mit 10 kV und 50 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVN₁ = 2500U₂ = ?N₂ = 50
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 10 kV = 10.000 V
    3. U₂ = 10.000 V · 50 : 2500 = 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 1000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 6 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 1000I₂ = 6 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 6 A · 1000 : 200
  3. I₁ = 30 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 6 A · 1000 : 200
  3. I₁ = 30 A
Ergebnis:
30 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 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
    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 = 0,5 A · 1000 : 200
    3. I₁ = 2,5 A
    Ergebnis:
    2,5 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 200 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 4 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 4 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 4 A · 40 : 200
    3. I₁ = 0,8 A
    Ergebnis:
    0,8 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 10 kV in 110 kV um (ideal). Auf der 10-kV-Seite fließen 440 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVI₁ = 440 AU₂ = 110 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 440 A · 10 kV : 110 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
    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
  2. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Stabmagneten an der Tafel. Wo ist das Magnetfeld schwächer: bei A oder bei B? Begründe.
    SNAB
    Lösung zeigen
    1. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Stärke des Feldes.
    2. Bei A liegen die Linien dicht, bei B weit auseinander.
    3. Also ist das Feld bei B schwächer.
    Ergebnis:
    bei B, dort liegen die Feldlinien weiter auseinander
  3. ●24
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,5 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, 0,5 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
    Ein selbst gewickelter Elektromagnet hält nicht stark genug. Was macht ihn stärker?
    EisenkernN = 300Izu schwach – was hilft?
    Lösung zeigen
    1. Das Feld einer Spule kommt vom Strom in den Windungen.
    2. Mehr Windungen und mehr Strom machen das Feld stärker.
    3. Ein Eisenkern verstärkt es zusätzlich.
    Ergebnis:
    mehr Windungen oder mehr Strom in der Spule
  5. ●26
    Ein Stabmagnet wird schnell in eine Spule geschoben. Die Spule hat 300 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVU = ?N = 300
    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.
  6. ●27
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 500 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,2 V. Wie viel zeigt es bei einem doppelt so starken Magneten, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 500
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Stärke des Magneten.
    2. doppelt so stark heißt mal 2
    3. U = 2 · 0,2 V = 0,4 V
    Ergebnis:
    0,4 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 Nordpol gegenüberstehen. Was spürst du?
    SNNS?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sie stoßen sich ab.

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    In einer Spule mit 200 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 1,5 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 8 A? Berechne mit Einheit.
    N = 200I = 8 AB = ?vorher: 2 A, 1,5 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    6 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    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
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Ventilator am Schreibtisch dreht sich. Arbeitet die Maschine im Ventilator als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Ventilator??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Generator nimmt 400 J Bewegungsenergie auf und gibt 320 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    400 J320 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    80 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 2300 Windungen primär und 240 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 2300U₂ = ?N₂ = 240
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    24 V

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

    34
    Ein idealer Transformator hat 400 Windungen primär und 2000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 10 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 2000I₂ = 10 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    50 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 Büroklammer
  3. Zum Magneten hin, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
  4. 0,8 mT
  5. 2,4 mT
  6. 9 mT
  7. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  8. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  9. Nach rechts, denn das Feld nimmt jetzt ab.
  10. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  11. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  12. Sie leuchtet schwach: Der Motor arbeitet als Generator.
  13. 160 J
  14. 50 J
  15. 48 kJ
  16. 0,75 V
  17. 10 V
  18. 200 V
  19. 2,5 A
  20. 0,8 A
  21. 40 A
  22. nur die Stahlschraube
  23. bei B, dort liegen die Feldlinien weiter auseinander
  24. 2 mT
  25. mehr Windungen oder mehr Strom in der Spule
  26. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  27. 0,4 V
  28. Sie stoßen sich ab.
  29. 6 mT
  30. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  31. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  32. 80 J
  33. 24 V
  34. 50 A