Aufgaben zum Elektro-Magnetismus Kurs 2015
Inhaltsverzeichnis
Grundlagen
Verschiedene Wege zur Induktionsspannung
- Zählen Sie möglichst viele verschiedene Möglichkeiten auf, wie man experimentell Induktionsspannung an einer Leiterschleife hervorrufen kann und erläutern Sie diese.
Magnetischer Fluss
- Erläutern Sie anhand von verschiedenen Beispielen, was der magnetische Fluss durch eine Fläche ist.
Induktionsgesetz
- Wie lautet das Induktionsgesetz in Worten?
- Wie lautet das Induktionsgesetz als Formel in den folgenden Situationen:
- Allgemeingültig
- Nur die Feldstärke ändert sich, Schleifenfläche und Magnetisierung sind konstant.
- Nur die Schleifenfläche ändert sich, die Feldstärke und die Magnetisierung sind konstant.
- Nur die Magnetisierung ändert sich, Schleifenfläche und Feldstärke sind konstant.
Anwendung des Induktionsgesetzes
Primär und Sekundärspule
Innerhalb einer "großen" Primärspule mit 500 Windungen liegt eine "kleine" Sekundärspule mit 2000 Windungen. (Siehe Zeichnung) Durch die Primärspule fließt ein Strom von zwei Ampère.
Die Spule wird dann von der Spannungsquelle getrennt, wodurch die Stromstärke innerhalb von einer tausendstel Sekunde auf Null Ampère zurückgeht.
Danach legt man an die Primärspule eine Dreiecksspannung mit einer Frequenz von 50Hz an, die zu einer maximalen Stromstärke von 2A führt. (Siehe Zeichnung) Zur Messung der Spannung an der Sekundärspule wird ein Oszilloskop angeschlossen.
- a) Wie groß ist zu Beginn die magnetische Feldstärke? Berechnen Sie den magnetischen Fluß durch die Primär- und die Sekündärspule.
- b) Während des Trennens von der Spannungsquelle registriert die Sekundärspule eine Spannung. Begründen Sie dies und berechnen Sie die Spannung.
- c) Zeichnen Sie in ein Koordinatensystem den zeitlichen Verlauf der mit dem Oszilloskop gemessenen Induktionsspannung ein.
- Wie ändert sich der Verlauf der Induktionsspannung, wenn die Sekundärspule in einem Winkel von 45° in der Primärspule liegt?
Eine Spule taucht ein
Eine Spule wird innerhalb von 2 Sekunden in ein homogenes Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1000A/m senkrecht zu den Feldlinien eingetaucht. Die Spule hat einen quadratischen Querschnitt von 5cm Kantenlänge und 300 Windungen. Sie ist an ein Spannungsmessgerät angeschlossen.
- a) Berechnen Sie die gemessene Induktionsspannung.
- b) Was kann man messen, wenn die Spule innerhalb des Feldes bewegt wird?
- c) Kennzeichnen Sie die Polung der Induktionsspannung mit + und - in der Zeichnung.
Energieübertragung
Transformator
- a) Warum kann man einen Transformator nicht mit Gleichstrom, sondern nur mit Wechselstrom betreiben?
- b) Erläutern Sie anhand der Zeichnung die Funktionsweise eines Trafos.
- c) Wie könnte der Trafo eines Netzgerätes gebaut sein, der ein Handy mit 5,7V Spannung versorgt?
Ein schwingender Magnet
Der Nordpol eines Stabmagneten schwingt innerhalb einer Spule auf und ab. Sobald man die Spule mit einem Kabel kurzschließt, wird der Magnet gebremst und bleibt schließlich stehen.
- a) Erklären Sie diese Beobachtung.
Ein fallender Magnet
Ein Magnet fällt durch ein Kupferrohr
- a) Was kann man beobachten?
- b) Wieso kann man für den Versuch kein Plastikrohr und auch kein Eisenrohr verwenden?
- c) Wie verändert sich das Versuchsergebnis, wenn man ein Kupferrohr mit dickeren Wänden benutzt?
- d) Wie könnte man es erreichen, dass der Magnet schwebt?
Selbstinduktion und elektrischer Schwingkreis
Selbstinduktion
- a) Erklären Sie den Begriff der Selbstinduktion indem Sie einen passenden Versuch beschreiben.
Induktivität
- a) Eine Spule hat eine Induktivität von 10 H (Henry).
- Was bedeutet das?
Vergleich von elektrischer und mechanischer Schwingung
Vergleichen Sie einen elektrischen Schwingkreis mit einem horizontalen Federpendel mit Zeichnungen, einem erklärenden Text und einer Gegenüberstellung sich entsprechender Größen.
Ein Schwingkreis
Ein Kondensator mit einer Kapazität von [math]54\,\rm \mu F[/math] wird mit einer Spannungsquelle von 50V verbunden und über eine Spule mit der Induktivität von 300H entladen.
- a) Wieviel Ladung und wieviel Energie ist zu Beginn im Kondensator gespeichert?
- b) Was kann man beobachten, wenn man die Spannung am Kondensator mißt?
- c) Warum geht die Spannung nach einiger Zeit dauerhaft auf Null Volt zurück?
- d) Mit welcher Frequenz ändert sich die Spannung?
- e) Wieviel Energie steckt maximal in der Spule?
- f) Wieviel Strom fließt maximal durch die Spule?
- g) Zeichnen Sie in ein Koordinatensystem den zeitlichen Verlauf der Spannung und der Stromstärke während der ersten 1,6 Sekunden.
