2. Physikschulaufgabe

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1 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Generator 1. Welche Aussagen über die elektromagnetische Induktion sind richtig (R), und welche sind falsch (F)? Tragen Sie den entsprechenden Buchstaben ein. Es handelt sich um elektromagnetische Induktion, wenn ein Leiter in einem Magnetfeld so bewegt wird, dass dabei an seinen Enden eine Spannung entsteht. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie geschieht mithilfe der elektromagnetischen Induktion. Wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, entsteht immer elektromagnetische Induktion. Die Induktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie der Ursache ihrer Entstehung entgegen wirkt. Es entsteht bei einem Leiterstück nur dann eine Induktionsspannung, wenn der Leiter die Feldlinien eines Magnetfeldes senkrecht schneidet. Die Wirkung der Induktion wird beim Elektromotor, Generator, Dynamo und Transformator genutzt. 2. Wovon hängt die Wirkung der elektromagnetischen Induktion ab, wenn sich ein Leiter im Magnetfeld bewegt? 3. Was passiert, wenn ein Stabmagnet in einer kurzgeschlossenen Spule liegt? Begründen Sie. 4. Ein gerader Kupferdraht wird losgelassen und fällt durch ein homogenes Magnetfeld (siehe nebenstehende Skizze). In welche Richtung bewegen sich die Leitungselektronen, während der Draht durch das Magnetfeld fällt? Begründen Sie Ihre Aussage ausführlich. 5.1 Fertigen Sie eine Skizze zum Aufbau eines Transformators an (mit Beschriftung). 5.2 Welchen Zweck hat ein Transformator? Erklären Sie seine Funktionsweise. 5.3 Was versteht man unter einem unbelasteten, was unter einem belasteten Trafo? 5.4 Beim Betrieb eines Transformators erwärmt sich der Eisenkern. Geben Sie zwei Gründe dafür an. RP_A0020 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0020) 1 (2)

2 5.5 Die Primärspule eines Trafos mit n P 200 liegt an 230 V Wechselspannung. Berechnen Sie jeweils die Sekundärspannung für folgende Sekundärspulen (a) (b) ns ns 25 Geben Sie für jede Variante ein Anwendungsbeispiel an. 6.1 Skizzieren Sie jeweils den grundsätzlichen Aufbau eines einfachen Innenpolund Außenpolgenerators (jeweils mit Dauermagnet) und beschreiben Sie kurz die Funktionsweise der beiden Generatoren. 6.2 Welche Energieumwandlung findet statt? 6.3 Erstellen Sie ein qualitatives (prinzipielles) U-t-Diagramm für 1 gleichförmige Umdrehung des Rotors eines Generators, wenn kein Polwender / Kommutator eingesetzt wird. 6.4 In Großanlagen (z. B. Kraftwerke) kommen meist Innenpolgeneratoren zum Einsatz. Nennen Sie zwei Vorteile eines Innenpolgenerators gegenüber einem Außenpolgenerator. 6.5 Ein Außenpolgenerator erzeugt eine Wechselspannung von 60 Hz. Berechnen Sie für die Induktionsspule die Anzahl ihrer Umdrehungen pro Minute. RP_A0020 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0020) 2 (2)

3 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator 1. Unter welcher Voraussetzung tritt in einer Spule eine Induktionsspannung auf? 2.1 Wie lautet die Lenzsche Regel? 2.2 Die Lenzsche Regel stimmt mit dem Energieerhaltungssatz überein. Warum? 3. Was versteht man unter einer Feldspule, was unter einer Induktionsspule? 4. Im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten ist ein gerades Leiterstück an zwei Drähten so aufgehängt, dass es frei hinund herschwingen kann, wenn man es mit der Hand aus der Ruhelage auslenkt und dann loslässt (siehe Abb. rechts). Beschreiben und begründen Sie mithilfe physikalischer Fachbegriffe die Auswirkungen auf das Leiterstück (Ladung, Polarität, Induktion). 5.0 In einem Versuch wird die Abhängigkeit der Induktionsspannung von der Windungszahl einer Spule untersucht (siehe Abb. unten). Dafür werden drei Spulen mit verschiedenen Windungszahlen zusammen mit einem Strommessgerät in einem gemeinsamen Stromkreis in Reihe geschaltet. Ein geeigneter Stabmagnet wird nacheinander durch die Spulen geführt und der jeweilige Strom wird am Strommessgerät abgelesen. RP_A0021 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0021) 1 (2)

4 5.1 Welche Bedingung ist bei der Versuchsdurchführung einzuhalten, um das Versuchsergebnis nicht zu verfälschen? 5.2 Warum müssen die Spulen in Reihe geschaltet werden? 5.3 Formulieren Sie das mögliche Versuchsergebnis. 5.4 Von welchen weiteren Größen hängt die Induktionsspannung bei diesem Versuch ab? 6.1 Beschriften Sie folgende Prinzipskizze eines Transformators. 6.2 Wie wird die Energie von der einen zur anderen Spule übertragen? 6.3 Welche grundsätzliche Eigenschaft muss eine Spannungsquelle aufweisen, damit ein Transformator funktioniert? Begründung! 6.4 Wodurch treten Verluste bei der Energieübertragung am Transformator auf und durch welche Maßnahmen können diese Verluste verringert werden? 7.1 Ein Transformator mit den Windungszahlen n P 750, ns 30 wird an unser Haushaltsnetz (230 V) angeschlossen. Durch einen Energiewandler (Verbraucher) im Sekundärstromkreis fließt ein Strom von 3,5 A. Welche Spannung liegt am Energiewandler an? (Voraussetzung: idealer Trafo, d. h. 1) 7.2 Welcher Strom fließt im Primärkreis des Transformators aus 7.1, wenn der Wirkungsgrad 84% beträgt? RP_A0021 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0021) 2 (2)

5 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Halbleiter 1.1 Unter welcher Voraussetzung wird in einem geraden Leiter, den man in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert? 1.2 Wovon hängt die Stärke der induzierten Spannung ab? 2.0 Eine Leiterschaukel hängt frei beweglich zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten (vgl. Abb.). 2.1 In welche Richtung bewegt sich die Leiterschaukel, wenn der Schalter S geschlossen wird und somit Strom fließt? 2.2 Ergänze die Zeichnung mit einem Pfeil für die Richtung der Leiterbewegung. Gib auch die Richtung der Magnetfeldlinien an und trage die technische Stromrichtung ein. Ordne die entsprechenden Größen den Begriffen U, V, W zu. 2.3 Was ist mit UVW gemeint? 2.4 Nenne zwei Möglichkeiten, wie man bei dem Versuch die Bewegungsrichtung der Leiterschaukel beim Schließen des Schalters verändern kann. 3. Für einen Versuch ist eine Spule neben einem Elektromagneten angeordnet. Die Induktionsspule ist beweglich, der Elektromagnet ist feststehend (vgl. Abb. rechts). Welche Möglichkeiten haben Sie bei diesem Versuch, in der Spule einen Induktionsstrom zu erzeugen? Begründen Sie kurz Ihre Aussagen. 4. Formulieren Sie das Induktionsgesetz für eine Spule (kurz, aber in ganzen Sätzen). 5.0 Ein idealer Transformator ist an das Stromnetz (230 V) angeschlossen. Die Primärspule besitzt 920 Windungen. 5.1 Berechnen Sie die Zahl der Windungen auf der Sekundärseite, wenn an diesen Trafo eine 6,0 V- Lampe angeschlossen werden soll. 5.2 Berechnen Sie die Stromstärke durch diese Lampe, wenn ihr Betriebswiderstand 60 ist. 5.3 Wie groß ist beim Betrieb der Lampe die Stromstärke auf der Primärseite? RP_A0022 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0022) 1 (2)

6 6.0 Von einer Halbleiterdiode wurde ihre Kennlinie in Durchlassrichtung aufgenommen. Es ergaben sich folgende Messwerte: U in V 0 0,20 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,80 0,90 I in ma 0 0 0,07 0,5 3,2 6,6 13,5 54,5 102,5 6.1 Zeichnen Sie die I- U- Kennlinie der Diode und markieren Sie die Stelle der Schleusenspannung. 6.2 Zeichnen Sie eine Messschaltung zur Aufnahme der HL-Diode (ohne Schutzwiderstand). 6.3 Berechnen Sie jeweils den Widerstandswert der HL-Diode bei den Spannungen U1 0,50V und U2 0,80V. 6.4 Warum wird der Widerstand der HL-Diode wesentlich kleiner, sobald die angelegte Spannung den Wert der Schleusenspannung überschreitet? 6.5 Nennen Sie zwei Anwendungsbeispiele für Halbleiterdioden. RP_A0022 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0022) 2 (2)

7 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Generator, Transformator, Halbleiter 1.1 Zeichnen Sie das Feldlinienbild einer stromdurchflossenen Spule. Wie verlaufen die Feldlinien im Inneren und außerhalb der Spule? 1.2 Geben Sie eine Regel an, mit der die Richtung des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule in Abhängigkeit von der Stromrichtung bestimmt werden kann. 1.3 Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes der Spule ab? 2. Versuch: Auf einem sehr leicht beweglichen Wagen ist ein Stabmagnet mit starkem Magnetfeld montiert. Dicht am Stabmagnet liegt eine Spule mit geschlossenem Stromkreis. Spulenachse und Achse des Magneten fluchten. Beschreiben Sie die möglichen Beobachtungen beim raschen Entfernen des Stabmagneten unter Verwendung physikalischer Fachbegriffe und Regeln. 3.0 An eine Gleichspannungsquelle sind zwei Glühlämpchen E1 und E2 parallel geschaltet. In Reihe mit E2 befindet sich eine Spule mit hoher Windungszahl und geschlossenem Eisenkern. In Reihe mit E1 liegt ein regelbarer Widerstand. Der Widerstand wird so eingestellt, dass bei geschlossenem Schalter S beide Lämpchen gleich hell leuchten. Zu Beginn des Versuchs ist der Schalter offen. 3.1 Der Schalter S wird geschlossen. Welche Beobachtungen kann man an den Lämpchen machen? 3.2 Der Schalter S wird geöffnet. Was können Sie an den Lämpchen beobachten? 3.3 Erklären Sie jeweils ihre Beobachtungen. RP_A0023 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0023) 1 (2)

8 4. Die Skizze rechts stellt den schematischen Aufbau eines Generators dar. Um welche Art von Generator handelt es sich? Benennen Sie die Bauteile 1 bis Ein Kraftwerksgenerator gibt eine Leistung von 80 MW ab. Die Spannung des Generators wird durch einen Transformator (Wirkungsgrad 93%) auf 240 kv hochtransformiert. Die elektrische Energie wird in eine Fernleitung mit einem Gesamtwiderstand von 45 eingespeist. 5.1 Berechnen Sie die vom Transformator abgegebene Leistung. 5.2 Berechnen Sie die Stromstärke auf der Sekundärseite des Trafos. 5.3 Berechnen Sie die elektrische Leistung, die am Ende der Fernleitung noch zur Verfügung steht. 6.0 Thema: Halbleiter 6.1 Was sind Halbleiter? 6.2 Nennen Sie zwei Halbleitermaterialien. 6.3 Nennen Sie zwei wesentliche Eigenschaften von Halbleitermaterialien. 6.4 Was bedeutet der Begriff Dotieren? 6.5 Was sind Donatoren, was sind Akzeptoren? 6.6 Was versteht man bei Halbleitern unter n-dotierung und p-dotierung? 6.7 Wie ist eine Halbleiterdiode aufgebaut? 6.8 Was versteht man beim Halbleiter unter dem p-n-übergang? 6.9 Was passiert in der Grenzschicht (p-n-übergang) nach dem Zusammenfügen eines p- und n-leiters (ohne Anlegen einer Spannung)? RP_A0023 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0023) 2 (2)

9 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Halbleiter 1.0 Beantworten Sie jeweils kurz (in einem Satz) folgende Fragen: 1.1 Was kann an den Enden eines Leiters entstehen, wenn er im Magnetfeld bewegt wird und wie muss der Leiter dafür bewegt werden? 1.2 Wann fließt in einem Leiterkreis ein Induktionsstrom? 1.3 Gibt es Abhängigkeiten für die Polung der Induktionsspannung und die Richtung des Induktionsstroms? 1.4 Welche Größen beeinflussen die Wirkung der elektromagnetischen Induktion in einem geraden Leiterstück? 1.5 Wie nennt man die Kraft, die für das Auftreten der elektromagnetischen Induktion beim bewegten Leiter im Magnetfeld ursächlich ist? 1.6 Je stärker die Lorentzkraft, desto höher die Induktionsspannung. Was beeinflusst die Stärke der Lorentzkraft? 1.7 Wann wird in einer Induktionsspule eine elektrische Spannung induziert? 1.8 Die Regel von Lenz ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes. Was besagt sie? 1.9 Nennen Sie drei technische Anwendungsbeispiele, bei denen die elektromagnetische Induktion einen wichtigen Anteil hat. 2. Welche Energieform wird bei einem Fahrraddynamo in welche andere Energieform umgewandelt? 3.1 Erklären Sie kurz die Funktion einer Wirbelstrombremse am Beispiel Schienenfahrzeug. 3.2 Welchen Vorteil hat eine Wirbelstrombremse gegenüber der klassischen Reibungsbremse? 4.0 Die Generatoren eines E-Werks geben bei einer Spannung von 12,5 kv die elektrische Leistung 6,5 MW ab. Durch einen Transformator ( Trafo 0,92) wird die Spannung auf 125 kv hochtransformiert. Der Gesamtwiderstand der Fernleitung bis zum Umspannwerk beträgt Erstellen Sie eine Schaltskizze und berechnen Sie die Stromstärke im Primär- und im Sekundärkreis. 4.2 Berechnen Sie die Verlustleistung P Verlust in der Fernleitung. 4.3 Berechnen Sie den Wirkungsgrad ges der gesamten Energieübertragung. 4.4 Um welche Art handelt es sich beim Kraftwerks-Transformator? 4.5 Begründen Sie, warum es von Vorteil ist, die Energie mit einer hohen Spannung zu übertragen. RP_A0024 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0024) 1 (2)

10 5. Die beiden Lampen E1 und E2 haben folgende Betriebsdaten: 2,8V/0,1A. Welche der Lampen leuchtet im Stromkreis? Kreuzen Sie die richtige Antwort an. nur E1 nur E2 E1 und E2 keine Lampe 6.0 Die LED (Light-Emitting Diode) ist ein Halbleiter-Bauteil, das bei Stromfluss Licht aussendet. 6.1 Eine blaue LED hat die Betriebsdaten: U 3,6V / I 20 ma. Berechnen Sie die Leistungsaufnahme der LED und ihren elektrischen Widerstand, wenn sie mit den angegebenen Daten betrieben wird. 6.2 Was ist bei der Schaltung einer LED im Stromkreis zu beachten? 6.3 Nennen Sie zwei Vorteile von LED-Lampen gegenüber konventionellen Glühlampen. RP_A0024 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0024) 2 (2)

11 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Generator, Halbleiter 1. Ein Stabmagnet fällt durch die mit einem Strommessgerät kurzgeschlossene Spule. Kreuzen Sie alle richtigen Aussagen an. Durch das Messgerät fließt ein Strom. Durch das Messgerät fließt kein Strom. Der Magnet wird in der Spule abgebremst. Der Magnet wird in der Spule nicht abgebremst. Welche Aussagen über die Stromrichtung und das magnetische Verhalten der Spule beim Durchfallen des Magneten sind richtig? Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magneten ein Südpol. Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magneten ein Nordpol. Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom von A nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A. Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom von A nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A. 2.0 Eine massive Platte aus Aluminium ist auf einem Wagen aus Kunststoff befestigt und bewegt sich nahezu reibungsfrei eine schiefe Ebene hinab. Ein starkes, homogenes Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Aluplatte verlaufen, liegt in Fahrtrichtung des Wagens. 2.1 Beschreiben Sie das Verhalten des Wagens, wenn sich die Platte durch das Magnetfeld bewegt im Bereich der Positionen A (Eintritt ins Magnetfeld), B (im Magnetfeld) und C (Austritt aus dem Magnetfeld). 2.2 Geben Sie jeweils eine kurze Begründung an für das Verhalten des Wagens im Bereich der Positionen A und B. RP_A0025 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0025) 1 (2)

12 3.1 Aus welchen beiden Hauptteilen besteht ein Wechselstromgenerator? 3.2 Beschreiben Sie stichwortartig (in einer Tabelle) die wesentlichen Unterschiede im Aufbau von Innenpol- und Außenpolgeneratoren. 3.3 Jeder Generator wandelt mechanische Energie in Strom und in (unerwünschte) Wärme um. Durch welche Vorgänge im Generator entsteht die Wärme? 4. Von einer alten Laborspannungsquelle ist zunächst nur bekannt, dass sie eine Spannung von 24 V abgibt. Wie kann mithilfe eines Drahtstücks (ca. 2m lang), einer Lampe (24 V / 3 W) und eines größeren Eisennagels festgestellt werden, ob Gleichoder Wechselspannung abgegeben wird? Erstellen Sie eine Schaltskizze und begründen Sie stichhaltig. 5. Max will eine Lichterkette für seinen Weihnachtsbaum selbst herstellen. Dafür kauft er sich eine Rolle Draht und 30 farbige LEDs. Die schließt er alle in Parallelschaltung an einen regelbaren Eisenbahn-Trafo (liefert Gleichspannung) an. Obwohl die LEDs nicht defekt sind, leuchtet nur ungefähr die Hälfte der LEDs, der Rest bleibt dunkel. Was könnte die Ursache dafür sein, dass nicht alle LEDs leuchten? 6.0 Wechselspannung soll mithilfe einer Graetz-Schaltung (auch Zweipuls- Brückenschaltung genannt) gleichgerichtet werden. Die vier Halbleiterdioden R1 bis R4 sorgen dafür, dass die Stromrichtung durch den Widerstand R L immer gleich bleibt, obwohl die Schaltung an einer Wechselspannung betrieben wird. 6.1 Markieren Sie jeweils den Strompfad für die positive und die negative Halbwelle am Schaltungseingang mit einem Farbstift / Marker. (Technische Stromrichtung ) 6.2 Erstellen Sie ein qualitatives (prinzipielles) Stromstärke-Zeit-Diagramm für die Schaltung. Welche Vorteile hat die Graetz-Schaltung gegenüber der Einweggleichrichtung? 6.3 Welche Spannung liegt am Widerstand R L an, wenn die Schleusenspannung (auch Schwellenspannung genannt) der Silizium-Dioden jeweils 0,7 V beträgt und die Elektrizitätsquelle eine Spannung von 8 V zur Verfügung stellt? RP_A0025 **** Lösungen 3 Seiten (RP_L0025) 2 (2)

13 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Halbleiter 1.0 Mit einem starken Dauermagnet und einer Spule mit hoher Windungszahl werden verschiedene Versuche durchgeführt. 1.1 Versuch 1: Der Magnet wird rasch bis zu der feststehenden Spule herangeführt. Was geschieht in der Spule während der Annäherung des Magneten? 1.2 Versuch 2: Nun werden die Anschlüsse der Spule mit einem dicken Draht verbunden (kurzgeschlossen) und der Versuch 1 wiederholt. Was passiert nun in der Spule? Wenden Sie dabei die Lenzsche Regel an. 1.3 Versuch 3: Die Spule ist über ein hochohmiges Voltmeter kurzgeschlossen und an zwei Kunststofffäden so aufgehängt, dass sie frei pendeln könnte. Was kann man beobachten, wenn sich der Magnet zur Spule hinbewegt der Magnet von der Spule entfernt (ohne die Spule jeweils zu berühren)? 2.1 Beschriften Sie die drei Finger entsprechend der 3-Finger-Regel der linken Hand bei einem Induktionsvorgang (Leiterbewegung im Magnetfeld). RP_A0026 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0026) 1 (3)

14 2.2 Die Leiterschaukel in nebenstehendem Bild wird von Hand nach außen bewegt. Zeichnen Sie die beiden fehlenden Pfeilspitzen bei 2. und 3. ein und geben Sie an, was die Pfeile bedeuten Wie wird die 3-Finger-Regel der linken Hand noch genannt? 3.0 Eine Spule (n 800 ) die über ein Strommessgerät (niederohmig und mittige Nullstellung) kurzgeschlossen ist, liegt auf einer Feinwaage mit Digitalanzeige (vgl. Skizze). 3.1 Ein Stabmagnet wird mit seinem Südpol zügig in das Innere der Spule bewegt, ohne dabei die Spule zu berühren. Was kann man beobachten? 3.2 Der Stabmagnet wird nun zügig aus der Spule herausgezogen, ohne dabei die Spule zu berühren. Was kann man beobachten? 3.3 Begründen Sie Ihre Beobachtungen aus 3.1 und 3.2 (Lenzsche Regel) 4.0 Ein Transformator soll zum Schmelzen eines dünnen Eisennagels eingesetzt werden. Verwendet wird ein Hochstromtransformator mit einer Sekundärwicklung aus massivem, dickem Kupferdraht und folgenden technischen Daten: n 800; n 5; U 230 V; I 4,0 A P S P P 4.1 Erstellen Sie eine Skizze des Trafos und berechnen Sie die Stromstärke durch den Nagel unter der Annahme, dass der Trafo verlustfrei arbeitet. 4.2 Warum ist der Primärstrom kurz nach dem Einschalten höher als 4,0 A? 4.3 Warum schmilzt nur der Nagel und nicht auch die Spule? 4.4 Berechnen Sie die Sekundärstromstärke, bei 15% Leistungsverlust des Trafos. 4.5 Der schlaue Max möchte die Primärspule an 460 V Gleichspannung anschließen, damit der Nagel schneller schmilzt. Ist diese höhere Spannung der Primärseite gleichbedeutend mit einer entsprechend höheren Stromstärke der Sekundärseite? RP_A0026 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0026) 2 (3)

15 5.0 In einem Experiment wurde für eine LED (Leuchtdiode) die Stromstärke I unter verschiedenen Spannungen U gemessen. Man erhielt folgende Messwerte: U in V 0 0,20 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 I in ma 0 0 0,1 0,9 3,8 8,1 17,5 35,7 71, Zeichnen Sie zu diesem Experiment eine Schaltskizze (ohne Schutzwiderstand). 5.2 Stellen Sie die Messwerte grafisch dar. 5.3 Welchen elektrischen Widerstand hat die LED bei einer Spannung von 0,8 V? 5.4 LEDs wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um. Sie sind ähnlich wie Halbleiterdioden, aus einer p- und einer n-halbleiterschicht aufgebaut. Beschreiben Sie die Vorgänge in der Grenzschicht (ladungsträgerarme Zone) nach dem Zusammenfügen der p- und n-dotierten Halbleiterschichten. RP_A0026 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0026) 3 (3)

16 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, el. Leistung und Arbeit 1.0 Eine Spule mit hoher Windungszahl wird auf den Schenkel eines U-förmigen Eisenkerns geschoben (vgl. Skizze). Die Spule ist mit einem empfindlichen Strommessgerät, einem Schalter und einer Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltet. 1.1 Was kann man beobachten, wenn bei abgehobenem Joch der Schalter geschlossen wird? Begründung! 1.2 Was kann man beobachten, wenn bei geschlossenem Schalter das Joch aufgelegt wird? Begründung! 1.3 Das Joch ist nun aufgelegt und statt der Gleichspannung wird jetzt eine gleich große Wechselspannung eingespeist. Was kann man beobachten? Begründung! 2.0 Torben möchte sich einen Transformator selbst bauen, der eine Wechselspannung von 1,6 kv zur Verfügung stellen kann. Der Strom im Sekundärkreis soll 65,0 ma betragen. Der Wirkungsgrad des Transformators wird mit 80% angenommen. 2.1 Wie groß ist die Energie, die dem Haushaltsstromnetz (230 V) entnommen wird, wenn der Trafo bei den in 2.0 genannten Bedingungen 5,0 Minuten in Betrieb ist? Berechnen Sie die Stromstärke im Primärkreis. 2.2 Der Wirkungsgrad des Transformators wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Nennen Sie vier Ursachen und die dazu gehörenden Abhilfemaßnahmen (tabellarisch in Kurzform). 3.0 Auf einer schiefen Ebene aus Kunststoff ist in einem Teilbereich eine Aluminiumplatte angebracht worden. Zwei gleich starke und gleich schwere Magnete starten gleichzeitig von derselben Höhe aus. Die Gleitreibung ist für beide Fälle als gleich anzunehmen. 3.1 Was kann man beobachten? Begründen Sie Ihre Antwort. 3.2 Welchen Einfluss hätte es, wenn statt der Aluminiumplatte eine aus reinem Kupfer verwendet würde? 3.3 Nennen Sie eine technische Anwendung dieses physikalischen Prinzips. RP_A0027 **** Lösungen 6 Seiten (RP_L0027) 1 (2)

17 4.0 Eine Versuchsanordnung nach nebenstehender Schaltskizze sei gegeben. Die Elektrizitätsquelle liefert eine Gleichspannung von 9 V, die Betriebsdaten der beiden Lämpchen E1 und E2 sind jeweils 6V/2,4W. Der Widerstand wurde bei anliegender Gleichspannung (und geschlossenem Schalter) so eingestellt, dass beide Lämpchen mit ihren Nenndaten betrieben werden. Die Spule besitzt einen Eisenkern, der entfernt werden kann. 4.1 Berechnen Sie die Größe des veränderbaren Widerstands und geben Sie den Widerstand der Spule an. 4.2 Welche Beobachtung macht man, nachdem der Schalter geschlossen wurde? Geben Sie eine Erklärung für diese Beobachtung. 4.3 Stellen Sie für den Einschaltvorgang aus 4.2 die Stromstärke in der Spule in Abhängigkeit von der Zeit dar (qualitatives I- t- Diagramm). 4.4 Aus der Spule wird nun der Eisenkern entfernt und dann der Schalter geschlossen. Welche Beobachtung macht man nach dem Schließen des Schalters? Zeichnen Sie in das Diagramm zu 4.3 den Stromstärkeverlauf (qualitativ) ein. 4.5 Der Versuch aus 4.0 wird nun mit einem Transformator (9 V / 50 Hz) als Spannungsquelle durchgeführt. Welche Beobachtung am Lämpchen E1 macht man nach dem Schließen des Schalters? Geben Sie eine Erklärung für diese Beobachtung. 5.0 Ein Wasserkocher trägt auf seinem Typenschild folgende Angaben: 230 V / 1800 W. 5.1 Welcher Strom fließt durch die Heizwendel des Wasserkochers, und wie groß ist der elektr. Widerstand, wenn der Wasserkocher an eine Haushaltssteckdose (230 V) angeschlossen wird? 5.2 Parallel zum Wasserkocher wird ein Bügeleisen angeschlossen. Der Gesamtstrom für beide Geräte beträgt nun 12 A. Wie groß sind der elektr. Widerstand und die Leistungsaufnahme des Bügeleisens? 5.3 Der Wasserkocher ist 6 min, das Bügeleisen 90 min in Betrieb. Wie hoch sind die Kosten, wenn pro kwh 30 Cent zu bezahlen sind? RP_A0027 **** Lösungen 6 Seiten (RP_L0027) 2 (2)

18 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Halbleiter 1.0 Eine Spule enthält einen Weicheisenkern und ist über ein empfindliches Strommessgerät kurz geschlossen. Welche Beobachtungen kann man am Strommessgerät machen 1.1 während sich der Hufeisenmagnet mit konstanter Geschwindigkeit der Spule nähert? 1.2 solange der Hufeisenmagnet am Weicheisenkern anliegt? 1.3 beim Abziehen des Hufeisenmagneten vom Weicheisenkern? Begründen Sie jeweils Ihre Antworten. 2.0 Auf einem nahezu reibungsfrei rollenden Laborwagen ist eine Spule befestigt. Ihre Wicklungsenden sind miteinander verbunden (sie ist also kurzgeschlossen). 2.1 Der Wagen wird von Hand schnell auf einen ortsfesten Hufeisenmagneten zubewegt und über den freien Schenkel geschoben. Formulieren Sie Ihre Beobachtungen bei diesem Versuch (mit Begründungen). 2.2 Welche Energieumwandlungen finden während der Annäherung der Spule an den Magneten statt? 2.3 Nachdem sich die Spule über dem Schenkel des Hufeisenmagneten befindet, wird sie (aus der Ruhe) in die entgegengesetzte Richtung bewegt und in ihre alte Position zurück geschoben. Beschreiben und erklären Sie, was dabei passiert. 2.4 Was würde sich ändern, wenn bei den Versuchen in Abschnitt 2.0 und 2.2 jeweils der Schalter S geöffnet wäre? 2.5 Welche Änderungen beim Versuchsaufbau oder der Versuchsdurchführung könnten zu einer höheren Induktionsspannung führen? Geben Sie drei Möglichkeiten an. 2.6 Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Annähern der Spule an den Magneten ein Nordpol? Begründung angeben! Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Trennen von Spule und Magnet ein Südpol? Begründung angeben! RP_A0028 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0028) 1 (2)

19 3.0 Ein geschlossener Ring aus Aluminium ist an zwei langen Fäden aufgehängt. Nun wird ein weit entfernter Stabmagnet zügig bis zum Ring geschoben; der Magnet bewegt sich danach nicht mehr. 3.1 Beschreiben Sie ausführlich was geschieht. 3.2 Erklären Sie die Beobachtung und begründen Sie eine Bewegung des Alu-Rings mithilfe einer zutreffenden physikalischen Regel. 3.3 Was würde passieren, wenn der Ring aus Kupfer anstatt aus Aluminium wäre? 3.4 Der Ring wird an einer Stelle so durchtrennt, dass ein schmaler Spalt entsteht. Der Versuch aus 3.0 wird nun wiederholt. Beschreiben und erklären Sie kurz, was bei jetzt beobachtet werden kann. 4.0 Ein Schweißtransformator wird an 230 V Netzspannung betrieben. Der Primärstrom liegt bei 10,4 A und die Sekundärspannung bei 16 V. Der Transformator hat einen Wirkungsgrad von 82%. 4.1 Wie groß ist die Sekundärstromstärke? 4.2 Wie hoch sind die Betriebskosten (nur elektr. Strom), wenn das Schweißgerät 2 h in Betrieb ist. Die Kilowattstunde wird mit 0,30 EUR veranschlagt. 4.3 Welche Art von Transformator wird zum Schweißen verwendet? Welchen Einfluss hat dies auf die Windungszahlen? 5.0 Für den Betrieb einer Leuchtdiode wird ein Vorwiderstand benötigt. Die Stromstärke durch die Leuchtdiode soll 25 ma und die Spannung soll 18 V betragen. 5.1 Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand. 5.2 Im Einsatz fällt an der Leuchtdiode eine Spannung von 2,5 V ab. Berechnen Sie die umgesetzte elektrische Leistung im Betriebszustand. RP_A0028 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0028) 2 (2)

20 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Arbeit, Leistung, Halbleiter 1.0 Eine stromdurchflossene Leiterschaukel befindet sich in einem Magnetfeld. 1.1 Zeichnen Sie jeweils die Kraftrichtung auf den Leiter ein. 1.2 Kennzeichnen Sie Nord- und Südpol 1.3 In welche Richtung fließt der des Magneten. Strom? Geben Sie auch den Plus- und Minuspol an. RP_A0029 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0029) 1 (3)

21 2.0 Bei der Bewegung eines geraden Kupferdrahtes senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes (siehe nebenstehende Skizze) entsteht im Draht eine Induktionsspannung. 2.1 Nennen Sie die Größen, von denen die Induktionsspannung abhängt und geben Sie jeweils diese Abhängigkeit an. 2.2 Formulieren Sie die UVW-Regel für den vorliegenden Fall und geben Sie die Polung der Induktionsspannung an den Enden A und B des Kupferdrahtes an. 2.3 Erklären Sie die Entstehung der Induktionsspannung. 3.0 Zwischen den Polschuhen eines hufeisenförmigen Elektromagneten pendelt bei geöffnetem Stromkreis eine massive Kupferplatte. 3.1 Was beobachtet man nach dem Schließen des Stromkreises? Welche Änderung muss man an der Platte vornehmen, damit die beschriebene Beobachtung nicht auftritt? Begründen Sie die Wirksamkeit dieser Änderung. 3.2 Nennen Sie die Voraussetzung für das Auftreten von Wirbelströmen. Geben Sie jeweils ein technisches Geräteteil an, bei dem Wirbelströme a) erwünscht b) unerwünscht sind. 4.1 Eine amerikanische Glühlampe (110 V / 60 W) soll mit einem Vorwiderstand R v an das Haushaltsnetz (230 V) angeschlossen werden. Zeichnen Sie das Schaltbild und berechnen Sie den Vorwiderstand. 4.2 Berechnen Sie die Leistung, die dem Netz entnommen wird und den Wirkungsgrad der Schaltung. 4.3 Die Glühlampe wird nun mit Hilfe eines Transformators, dessen Primärspule an das Netz (230 V) angeschlossen ist, betrieben. Zeichnen Sie das Schaltbild und berechnen Sie die Primärleistung des Transformators, wenn dieser den Wirkungsgrad 0,88 besitzt. 4.4 Wodurch entstehen Verluste beim Betrieb mit dem Vorwiderstand? mit dem Transformator? RP_A0029 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0029) 2 (3)

22 5. Eine Schaltung, die mit Wechselstrom betrieben wird, enthält 2 Siliziumdioden, 2 LEDs und 2 Schalter (vgl. Skizze rechts). Tragen Sie in die leeren Felder der Tabelle Ja oder Nein (richtig) ein. Begründen Sie Ihre Entscheidungen. S1 S2 E1 leuchtet E2 leuchtet Auf Auf Zu Zu Auf Zu Auf Zu 6. Die schematische Darstellung unten zeigt eine Halbleiterdiode, die in Durchlassrichtung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Beschriften Sie die Skizze mit der Polung + und - sowie den Bezeichnungen Anode und Kathode. Geben Sie die Durchlassrichtung an. Zeichnen Sie auch das Schaltsymbol lagerichtig dazu. Schaltsymbol: 7. Was bedeutet es, wenn ein Halbleiter dotiert wird? RP_A0029 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0029) 3 (3)

23 Thema: Elektrizitätslehre II Induktion, Transformator, Generator, Halbleiter 1.1 Welche Energieumwandlungen finden statt in einem a) Elektromotor b) elektrischen Generator c) Transformator 1.2 Nennen Sie zu jedem technischen Gerät nach 1.1 zwei Anwendungen. 2. Geben Sie eine Möglichkeit an, wie in einem Leiter elektromagnetische Induktion auftreten kann. Wovon und in welcher Weise hängt die Stärke der induzierten Spannung ab? Geben Sie zwei Beispiele an. 3. Formulieren Sie die Regel von Lenz 4.1 Was besagt das Induktionsgesetz für eine Spule? 4.2 Wie kann die Induktionsspannung in einer Spule erhöht werden? Nennen Sie zwei Möglichkeiten. 5. Für einen Versuch sind auf einem Weicheisenkern zwei Spulen - Feldspule A und Induktionsspule B - angeordnet (vgl. Skizze). Spule A ist beweglich, Spule B feststehend. Der Schiebewiderstand wird so eingestellt, dass bei geschlossenem Schalter S der maximale Strom fließt. a) Warum wird am Messgerät eine Spannung angezeigt, sobald man (bei geschlossenem Schalter) den Widerstand vergrößert? b) Nennen Sie zwei Möglichkeiten der Erzeugung einer Induktionsspannung in Spule B. Begründen Sie Ihre Vorschläge. c) Wie kann in der Induktionsspule B eine möglichst hohe Spannung induziert werden? RP_A0030 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0030) 1 (2)

24 6.0 Ein kleiner Transformator gibt eine Wechselspannung von maximal 12 V bei 2,0 A ab. Seine Primärwicklung hat 650 Windungen. Der Trafo wird an das Haushaltsnetz (230 V) angeschlossen. 6.1 Berechnen Sie die Windungszahl auf der Sekundärseite des Trafos. 6.2 Wie groß ist die Stromstärke auf der Primärseite, wenn der Trafo einen Wirkungsgrad von 80% hat? 6.3 Wodurch wird der Wirkungsgrad eines Transformators verringert? 7.0 Die nachfolgende Tabelle enthält Messwerte, die an einer Silizium-Gleichrichterdiode (ähnlich 1N4005) ermittelt wurden. Für die Messungen wurde die Diode in Durchlassrichtung und zusammen mit einem Schutzwiderstand in Reihe geschaltet. Schrittweise erhöhte man die Spannung U und notierte dabei die Stromstärke I. Die Spannung wurde direkt an der Diode gemessen. U in V 0 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,75 0,77 I in ma 0 0,0 0,0 0,2 1,3 8, Fertigen Sie zu diesen Messungen einen Schaltplan an. 7.2 Wie groß ist in etwa die Schleusenspannung (nur Abschätzung)? 7.3 Wie groß ist der minimale und wie groß ist der maximale Widerstand der Diode, wenn die Tabellenwerte zugrunde gelegt werden? 7.4 Zeichnen Sie die I-U-Kennlinie. RP_A0030 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0030) 2 (2)