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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 Schlüsselring aus Stahl und ein Messingschlüssel. Welcher Gegenstand wird angezogen?
NSeine Aluminiumdoseein Schlüsselring aus Stahlein Messingschlüssel?
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
    Zwei Würfelmagnete 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
    Neben einem Magneten liegen ein Stück Aluminiumfolie, eine Aluminiumdose und ein Eisennagel. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Stück Aluminiumfolieeine Aluminiumdoseein Eisennagel?
    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
  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

Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,8 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, 0,8 mT
Schritt für Schritt
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 800 : 400 = 2
  3. B = 2 · 0,8 mT = 1,6 mT
  1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
  2. 800 : 400 = 2
  3. B = 2 · 0,8 mT = 1,6 mT
Ergebnis:
1,6 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 300 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 0,8 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 4 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 4 AB = ?vorher: 1 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. 4 A : 1 A = 4
    3. B = 4 · 0,8 mT = 3,2 mT
    Ergebnis:
    3,2 mT
  2. ●5
    In einer Spule mit 300 Windungen fließen 1 A. Innen misst man 1,2 mT. Wie stark ist das Magnetfeld bei 2 A? Berechne mit Einheit.
    N = 300I = 2 AB = ?vorher: 1 A, 1,2 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Stromstärke.
    2. 2 A : 1 A = 2
    3. B = 2 · 1,2 mT = 2,4 mT
    Ergebnis:
    2,4 mT
  3. ★6
    Eine Spule mit 300 Windungen erzeugt bei 0,5 A innen 0,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 900 Windungen und 0,25 A. Wie stark ist ihr Magnetfeld? Berechne mit Einheit.
    N = 900I = 0,25 AB = ?Vergleich: 300 Windungen, 0,5 A, 0,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl und wie die Stromstärke.
    2. Windungen: 900 : 300 = 3, Strom: 0,25 A : 0,5 A = 0,5
    3. B = 0,5 mT · 3 · 0,5 = 0,75 mT
    Ergebnis:
    0,75 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
    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
    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 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
    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 300 Windungen geschoben, der Zeiger schlägt nach links aus. Wohin schlägt er beim Herausziehen? Begründe.
    NSVvorher: Zeiger links, jetzt ?N = 300
    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?

Ein Notstromaggregat: Ein Dieselmotor dreht eine Maschine, die Strom liefert. Arbeitet die Maschine am Dieselmotor als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
Dieselmotor??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 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
    Ein Windrad dreht sich im Wind und liefert Strom. Arbeitet die Maschine im Windrad als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Windrad??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 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 Generator nimmt 1200 J Bewegungsenergie auf und gibt 840 J elektrische Energie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
1200 J840 JWärme: ?
Schritt für Schritt
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1200 J − 840 J = 360 J
  1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
  2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
  3. 1200 J − 840 J = 360 J
Ergebnis:
360 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 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: ?
    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. 1000 J − 900 J = 100 J
    Ergebnis:
    100 J
  2. ●14
    Ein Elektromotor nimmt 500 J elektrische Energie auf und gibt 375 J Bewegungsenergie ab. Wie viel Energie wird dabei zu Wärme? Berechne mit Einheit.
    500 J375 JWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Energie geht nicht verloren: zugeführt = genutzt + Wärme.
    2. Wärme = zugeführte Energie − genutzte Energie
    3. 500 J − 375 J = 125 J
    Ergebnis:
    125 J
  3. ★15
    Ein Generator nimmt 500 W auf und gibt 300 W als elektrische Energie ab. Wie viel Wärme in kJ entsteht in 10 Minuten? Berechne mit Einheit.
    500 W300 WWärme: ?
    Lösung zeigen
    1. Verlustleistung = aufgenommene Leistung − abgegebene Leistung
    2. 500 W − 300 W = 200 W, 10 min = 600 s
    3. E = 200 W · 600 s = 120.000 J = 120 kJ
    Ergebnis:
    120 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 4 V Wechselspannung an. Welche Spannung liegt sekundär an? Berechne mit Einheit.
primärsekundärU₁ = 4 VN₁ = 300U₂ = ?N₂ = 600
Schritt für Schritt
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 300
  3. U₂ = 4 V · 600 : 300 = 8 V
  1. U₁ : U₂ = N₁ : N₂, also U₂ = U₁ · N₂ : N₁
  2. N₂ : N₁ = 600 : 300
  3. U₂ = 4 V · 600 : 300 = 8 V
Ergebnis:
8 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
    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
    Lösung zeigen
    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
  3. ★18
    Ein Transformator im Ortsnetz hat 2500 Windungen auf der Seite mit 10 kV und 100 Windungen auf der anderen. Wie viel Volt liefert er an die Häuser? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 10 kVN₁ = 2500U₂ = ?N₂ = 100
    Lösung zeigen
    1. U₂ = U₁ · N₂ : N₁, dabei U₁ zuerst in Volt
    2. 10 kV = 10.000 V
    3. U₂ = 10.000 V · 100 : 2500 = 400 V
    Ergebnis:
    400 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 600 Windungen primär und 60 Windungen sekundär. Sekundär fließen 1 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
primärsekundärN₁ = 600I₁ = ?N₂ = 60I₂ = 1 A
Schritt für Schritt
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 60 : 600
  3. I₁ = 0,1 A
  1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
  2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 1 A · 60 : 600
  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 1200 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 6 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 1200I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 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 · 40 : 1200
    3. I₁ = 0,2 A
    Ergebnis:
    0,2 A
  2. ●20
    Ein idealer Transformator hat 400 Windungen primär und 40 Windungen sekundär. Sekundär fließen 5 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Primärspule? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärN₁ = 400I₁ = ?N₂ = 40I₂ = 5 A
    Lösung zeigen
    1. Für Ströme gilt das umgekehrte Verhältnis: I₁ : I₂ = N₂ : N₁
    2. I₁ = I₂ · N₂ : N₁ = 5 A · 40 : 400
    3. I₁ = 0,5 A
    Ergebnis:
    0,5 A
  3. ★21
    Ein Umspannwerk wandelt 20 kV in 110 kV um (ideal). Auf der 20-kV-Seite fließen 220 A. Wie groß ist die Stromstärke in der Hochspannungsleitung? Berechne mit Einheit.
    primärsekundärU₁ = 20 kVI₁ = 220 AU₂ = 110 kVI₂ = ?
    Lösung zeigen
    1. Ideal bleibt die Leistung gleich: U₁ · I₁ = U₂ · I₂
    2. I₂ = I₁ · U₁ : U₂ = 220 A · 20 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 ein Messingschlüssel, ein Schlüsselring aus Stahl und ein Goldring. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Messingschlüsselein Schlüsselring aus Stahlein Goldring?
    Lösung zeigen
    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
  2. ●23
    Das Bild zeigt die Feldlinien eines Stabmagneten. Wohin zeigt der Nordpol einer kleinen Kompassnadel, die außen auf einer Feldlinie liegt?
    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:
    entlang der Linie in Richtung Südpol
  3. ●24
    Eine Spule mit 100 Windungen erzeugt bei 2 A innen 1,5 mT. Eine gleich lange Spule hat 200 Windungen, auch 2 A. Wie stark ist ihr Feld? Berechne mit Einheit.
    N = 200I = 2 AB = ?vorher: 100 Windungen, 1,5 mT
    Lösung zeigen
    1. Das Feld wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 200 : 100 = 2
    3. B = 2 · 1,5 mT = 3 mT
    Ergebnis:
    3 mT
  4. ●25
    Links neben einer Spule mit 600 Windungen liegt ein Kompass. Jetzt fließt Strom durch die Spule. Wohin zeigt die Nadel?
    N = 600Strom anKompass daneben: ?
    Lösung zeigen
    1. Eine Spule ist nur dann ein Magnet, wenn Strom fließt.
    2. Hier fließt Strom: Die Spule hat einen Nordpol und einen Südpol.
    3. Die Nadel richtet sich nach dem Feld der Spule.
    Ergebnis:
    Sie dreht sich zur Spule, die Spule ist jetzt ein Magnet.
  5. ●26
    Eine Spule wird über einen ruhenden Magneten geschoben. 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.
  6. ●27
    Ein Magnet wird in eine Spule mit 500 Windungen geschoben. Das Messgerät zeigt höchstens 0,2 V. Wie viel zeigt es bei 1000 Windungen, sonst gleich? Berechne mit Einheit.
    NSVU = ?N = 1000
    Lösung zeigen
    1. Die Spannung wächst im gleichen Verhältnis wie die Windungszahl.
    2. 1000 : 500 = 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
    Neben einem Magneten liegen ein Stück Aluminiumfolie, ein Schlüsselring aus Stahl und ein Messingschlüssel. Welcher Gegenstand wird angezogen?
    NSein Stück Aluminiumfolieein Schlüsselring aus Stahlein Messingschlüssel?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    nur der Schlüsselring

  2. Ich erkläre das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule.

    29
    Eine Spule mit 400 Windungen erzeugt bei 2 A innen 0,6 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, 0,6 mT
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,2 mT

  3. Ich beschreibe, wann eine Spannung induziert wird.

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

  4. Ich erkläre den Aufbau eines Generators.

    31
    Ein Notstromaggregat: Ein Dieselmotor dreht eine Maschine, die Strom liefert. Arbeitet die Maschine am Dieselmotor als Generator oder als Elektromotor? Begründe.
    Dieselmotor??Wärme
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie

  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: ?
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    Ergebnis:
    200 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
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    Ergebnis:
    3 V

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

    34
    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
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    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. nur der Eisennagel
  3. Ein magnetischer Südpol.
  4. 3,2 mT
  5. 2,4 mT
  6. 0,75 mT
  7. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  8. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  9. Nach rechts, denn das Feld nimmt jetzt ab.
  10. als Elektromotor: aus elektrischer Energie wird Bewegung
  11. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  12. Der Motor arbeitet als Generator: Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie.
  13. 100 J
  14. 125 J
  15. 120 kJ
  16. 3 V
  17. 1 V
  18. 400 V
  19. 0,2 A
  20. 0,5 A
  21. 40 A
  22. nur der Schlüsselring
  23. entlang der Linie in Richtung Südpol
  24. 3 mT
  25. Sie dreht sich zur Spule, die Spule ist jetzt ein Magnet.
  26. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  27. 0,4 V
  28. nur der Schlüsselring
  29. 1,2 mT
  30. Ja, weil sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
  31. als Generator: aus Bewegung wird elektrische Energie
  32. 200 J
  33. 3 V
  34. 5 A