LK Physik 12/1 2. Kursarbeit aus der Physik 27.11.2008 Aufgabe 1: Begriffe Erläutere folgende Begriffe mit jeweils einem Satz, einer kommentierten Formel und der zugehörigem Größeneinheit. a) Magnetische Spulenfeldstärke c) Induktivität einer Spule mit Eisenkern b) magnetischer Fluss d) Energie des Magnetfeldes Aufgabe 2: Induktion a) Beschreibe mit Worten den Faraday'schen Induktionsbegriff und sein Induktionsgesetz. b) Skizziere und beschrifte den Grundversuch zur Induktion mit Feldspule und Induktionsspule c) Gib die Durchführungsbeschreibung in mehreren Schritten an. (1) Wie wird die Feldstärkeänderung automatisiert ? (2) Welche Ausgangsgrößen werden jeweils verändert ? d) Begründe aus den Ergebnissen das Induktionsgesetz. e) Die Primärspule hat 34 Windungen bei einer Länge von 26,5 cm. Die Stromstärke wird in 11 sec automatisch auf 5 A hochgeregelt. Wie groß ist die erwartete Induktionspannung in der zweiten Spule mit 150 Windungen und 20,25 cm2 Querschnittsfläche ? Aufgabe 3: Herleitung: Induktion a) Leite das Induktionsgesetz für veränderliche Feldstärke B (bei konstanter Fläche A) für eine rechteckige Leiterschleife aus der Lorentzkraft her. b) Erläutere und begründe die Vektorschreibweise des Induktionsgesetzes. c) Was bedeutet das aus der Herleitung folgende negative Vorzeichen physikalisch ? Aufgabe 4: Selbstinduktion a) Erläutere den Begriff der Selbstinduktion einer Spule. b) Skizziere und beschrifte jeweils den Versuch zur Einschaltverzögerung und zur Ausschaltspannung beim Stromkreis mit einer Spule. c) Erkläre die Beobachtungen. d) Zeichne die zugehörigen Strom- bzw. Spannungsgraphen untereinander und erläutere mit Hilfe graphischer Ableitung den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung. e) Wie kann man beide Graphen sichtbar machen ? (Versuchsskizze und Erläuterung) f) Welche Spannungsspitze entsteht, wenn man den Spulenstrom von 100 mA in 1 ms abschaltet ? Die Induktivität der Spule sei 630 H. Aufgabe 5: Magnetfeld eines langen Leiters Um einen langen stromdurchflossenenen Leiter entsteht nach Örsted ein ringförmiges Magnetfeld. a) Leite den Zusammenhang zwischen Stromstärke I und Feldstärke B aus der Definition der Stromstärke 1 A her. b) Zwei geradlinige lange Leiter verlaufen in 10 cm Abstand parallel zueinander. Sie werden in gleicher Richtung von den Strömen I1 = 15 A und I2 = 25 A durchflossen. Die Feldstärken beider Leiter überlagern sich unabhängig. Berechne jeweils die Feldstärke in einem Punkt (1) der von beiden Leitern gleich weit entfernt ist. (2) der 2 cm von Leiter 1 und 8 cm von Leiter 2 entfernt ist. (3) In welchen Punkten heben sich die Feldstärken auf ? Hinweis: Beachte die Richtung de Feldlinien zwischen beiden Leitern ! Aufgabe 6: Kraft auf zwei Spulen Zwei gleiche, lange, zylindrische Spulen liegen koaxial so hintereinander, dass zwischen ihren Stirnflächen ein sehr schmaler Spalt bleibt. Die Spulen haben je n = 4000 Windungen, sind je l = 0,4 m lang und haben beide den Durchmesser d = 3,5 cm. Sie werden gleichsinnig vom Strom I = 450 mA durchflossen. Welche Kraft F üben die Spulen aufeinander aus ? Anleitung: Man betrachtet zur Lösung die Energieänderung Wm, die das System der Spulen erfährt, wenn man den Abstand zwischen den Spulenenden um die Strecke s verändert. Wm ist gleich dem Produkt aus der gesuchten Kraft und der Strecke s.