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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 Stück Aluminiumfolie, eine Stahlschraube und eine Aluminiumdose. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSein Stück Aluminiumfolieeine Stahlschraubeeine Aluminiumdose?
Schritt für Schritt
  1. Nicht jedes Metall wird von einem Magneten angezogen.
  2. Angezogen werden Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt.
  3. Also nur die Stahlschraube.
  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

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, ein Goldring und eine Stahlschraube. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Stück Aluminiumfolieein Goldringeine Stahlschraube?
    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 die Stahlschraube.
    Ergebnis:
    nur die Stahlschraube
  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 links neben dem Südpol eines Hufeisenmagneten. Wohin zeigt der Nordpol der Kompassnadel? Begründe.
    SN?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 0,5 A innen 1,2 mT. Eine gleich lange Spule hat 900 Windungen, auch 0,5 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
N = 900I = 0,5 AB = ?vorher: 300 Windungen, 1,2 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 1,2 mT = 3,6 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 900 : 300 = 3
  3. B = 3 · 1,2 mT = 3,6 mT
Ergebnis:
3,6 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 400 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,8 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 1 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 1 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,8 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. 1 A : 0,5 A = 2
    3. B = 2 · 0,8 mT = 1,6 mT
    Ergebnis:
    1,6 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 400 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 3 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 3 AB = ?vorher: 1 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 3 A : 1 A = 3
    3. B = 3 · 0,6 mT = 1,8 mT
    Ergebnis:
    1,8 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 1,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 1200 Windungen und 0,25 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 1200I = 0,25 AB = ?Vergleich: 400 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: 1200 : 400 = 3, Strom: 0,25 A : 0,5 A = 0,5
    3. B = 1,5 mT · 3 · 0,5 = 2,25 mT
    Ergebnis:
    2,25 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 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
NSVU = ?N = 1200
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 liegt vor einer Spule, nichts bewegt sich. 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 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.
  3. ★9
    Zwei Spulen sitzen auf einem Eisenkern. In der ersten fließt dauernd ein Gleichstrom aus einer 9-V-Batterie. Zeigt ein Messgerät an der zweiten Spule eine Spannung? Begründe.
    primärsekundärBatterie 9 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?

Eine Waschmaschine schleudert die Wäsche. Arbeitet die Maschine in der Waschmaschine als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Waschmaschine??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 Ventilator am Schreibtisch dreht sich. Arbeitet die Maschine im Ventilator als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Ventilator??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 Kurbeltaschenlampe wird mit der Hand gedreht und leuchtet. Arbeitet die Maschine in der Lampe als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Lampe??Wärme
    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
  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

Ein Generator nimmt 500 J Bewegungsenergie auf und gibt 350 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
500 J350 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 500 J − 350 J = 150 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 500 J − 350 J = 150 J
Ergebnis:
150 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
    Ein Generator nimmt 800 J Bewegungsenergie auf und gibt 600 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    800 J600 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 800 J − 600 J = 200 J
    Ergebnis:
    200 J
  3. ★15
    Ein Elektromotor nimmt 400 W auf und gibt 360 W als Bewegungsenergie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 2 Minuten? Berechne mit Einheit.
    400 W360 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 400 W − 360 W = 40 W, 2 min = 120 s
    3. E = 40 W · 120 s = 4800 J = 4,8 kJ
    Ergebnis:
    4,8 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 600 Windungen primär und 150 Windungen sekundär. Primär liegen 6 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 6 VN₁ = 600U₂ = ?N₂ = 150
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 150 : 600
  3. U₂ = 6 V · 150 : 600 = 1,5 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 150 : 600
  3. U₂ = 6 V · 150 : 600 = 1,5 V
Ergebnis:
1,5 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 600 Windungen primär und 1200 Windungen sekundär. Primär liegen 3 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 3 VN₁ = 600U₂ = ?N₂ = 1200
    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 = 1200 : 600
    3. U₂ = 3 V · 1200 : 600 = 6 V
    Ergebnis:
    6 V
  2. ●17
    Ein Ladegerät enthält einen Transformator mit 1150 Windungen primär und 60 Windungen sekundär. Primär liegen 230 V an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 230 VN₁ = 1150U₂ = ?N₂ = 60
    Lösung zeigen
    1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
    2. N₂ : N₁ = 60 : 1150
    3. U₂ = 230 V · 60 : 1150 = 12 V
    Ergebnis:
    12 V
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 2000 Windungen auf der Seite mit 10 kV und 200 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVN₁ = 2000U₂ = ?N₂ = 200
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 10 kV = 10.000 V
    3. U₂ = 10.000 V · 200 : 2000 = 1000 V
    Ergebnis:
    1000 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 400 Windungen primär und 2000 Windungen sekundär. Sekundär fließen 1 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 2000I₂ = 1 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 2000 : 400
  3. I₁ = 5 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 2000 : 400
  3. I₁ = 5 A
Ergebnis:
5 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 20 Windungen sekundär. Sekundär fließen 6 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 200I₁ = ?N₂ = 20I₂ = 6 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 = 6 A · 20 : 200
    3. I₁ = 0,6 A
    Ergebnis:
    0,6 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 100 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 6 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 100I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 6 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 6 A · 40 : 100
    3. I₁ = 2,4 A
    Ergebnis:
    2,4 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 10 kV in 110 kV um (ideal). Auf der 10-kV-Seite fließen 110 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVI₁ = 110 AU₂ = 110 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 110 A · 10 kV : 110 kV
    3. I₂ = 10 A
    Ergebnis:
    10 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 ein Messingschlüssel, eine Büroklammer aus Stahl und ein Stück Aluminiumfolie. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsseleine Büroklammer aus Stahlein 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 Büroklammer.
    Ergebnis:
    nur die Büroklammer
  2. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Magnetstabs aus der Sammlung. In welche Richtung verlaufen die Feldlinien außerhalb des Magneten?
    SNP
    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:
    vom Nordpol zum Südpol
  3. ●24
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 0,5 A. Innen misst man 0,4 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 2 AB = ?vorher: 0,5 A, 0,4 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 0,5 A = 4
    3. B = 4 · 0,4 mT = 1,6 mT
    Ergebnis:
    1,6 mT
  4. ●25
    Ein Haftmagnet an einer Tür 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 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
    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 500 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,2 V. Wie viel zeigt es bei 2000 Windungen, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 2000
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 2000 : 500 = 4
    3. U = 4 · 0,2 V = 0,8 V
    Ergebnis:
    0,8 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 Ringmagnete auf einem Holzstab 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 400 Windungen fließen 2 A. Innen misst man 0,6 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 8 A? Berechne mit Einheit.
    N = 400I = 8 AB = ?vorher: 2 A, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    2,4 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

    30
    Ein Magnet liegt vor einer Spule, nichts bewegt sich. Die Spule hat 1200 Windungen und ist an ein Messgerät angeschlossen. Zeigt es eine Spannung an? Begründe.
    NSVruhtU = ?N = 1200
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Aufzug fährt nach oben. Arbeitet die Maschine am Aufzug als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Aufzug??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung

  5. Ich erkläre den Aufbau eines Elektromotors.

    32
    Ein Fahrraddynamo nimmt 1000 J Bewegungsenergie auf und gibt 800 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    1000 J800 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    200 J

  6. Ich berechne Spannungen am Transformator.

    33
    Im Schulversuch hat ein Transformator 600 Windungen primär und 150 Windungen sekundär. Primär liegen 4 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 4 VN₁ = 600U₂ = ?N₂ = 150
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1 V

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

    34
    Ein idealer Transformator hat 1200 Windungen primär und 60 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 1200I₁ = ?N₂ = 60I₂ = 5 A
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,25 A

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

Lösungen

  1. nur die Stahlschraube
  2. Sie stoßen sich ab.
  3. Zum Magneten hin, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
  4. 1,6 mT
  5. 1,8 mT
  6. 2,25 mT
  7. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  8. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  9. Nein, ein gleichbleibender Strom erzeugt ein gleichbleibendes Feld.
  10. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  11. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  12. Sie leuchtet schwach: Der Motor arbeitet als Generator.
  13. 120 J
  14. 200 J
  15. 4,8 kJ
  16. 6 V
  17. 12 V
  18. 1000 V
  19. 0,6 A
  20. 2,4 A
  21. 10 A
  22. nur die Büroklammer
  23. vom Nordpol zum Südpol
  24. 1,6 mT
  25. mehr Windungen oder mehr Strom in der Spule
  26. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  27. 0,8 V
  28. Sie stoßen sich ab.
  29. 2,4 mT
  30. Nein, weil sich das Magnetfeld in der Spule nicht ändert.
  31. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  32. 200 J
  33. 1 V
  34. 0,25 A