Abschnitt 5, 3. Übungsstunde
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Übungen Physik, FF2 SS 2017 Abschnitt 5, 3. Übungsstunde 5.3.1. a) Wie lautet das Induktionsgesetz in Worten und als Formel? b) Welche Art von Flussänderung gibt es? Ist es für das Induktionsgesetz wichtig, auf welche Art der Fluß geändert wird? c) Wie lautet die Regel von Lenz? 5.3.2. Der abgebildete Magnet hat auf der rechten Seite seinen Südpol. Die Schleife wird nach rechts bewegt. Das untere Bild zeigt die Situation um ∆t = 0, 1 Sekunden später als das obere Bild. Die Leiterschleife hat den Widerstand R = 100 Ω. a) Warum entsteht in der Schleife ein Induktionsstrom? b) Berechnen Sie die Induktionsspannung und den Induktionsstrom! c) Zeichnen Sie die Richtung des Magnetfeldes und des Induktionsstromes ein! 5.3.3. Die Leiterschleife (horizontale Länge L = 4 m, Höhe h = 0, 8 m) besitzt ein bewegliches, vertikales Leiterstück und befindet sich in einem Magnetfeld B. a) Bestimmen Sie den magnetischen Fluss Φ durch die gesamte Schleife und die Feldstärke B! b) Das vertikale Leiterstück wird mit der konstanten Geschwindigkeit v = 0, 5 m/s nach links bewegt. Berechnen Sie die Induktionsspannung, die dabei entsteht! Zeichnen Sie die Richtung des Induktionsstroms ein! 5.3.4. Eine Spule wird von einem Strom durchflossen. Die Stromstärke steigt in den ersten drei Sekunden gleichförmig von 0 A auf 6 A. In den nachsten vier Sekunden bleibt die Stromstärke gleich und in den letzten zwei Sekunden sinkt sie gleichförmig von 6 A auf 0 A. Hinter der Spule befindet sich ein Ring. Die gegenseitige Induktivität beträgt 1 L2 = 0, 5 H. Berechnen Sie die Induktionsspannung im Ring und zeichnen Sie den zeitlichen Spannungverlauf im unteren Diagramm ein! 5.3.5. Eine lange Spule mit der Länge l = 0, 1 m und der Querschnittsfläche A = 0, 05 m2 besitzt N1 = 200 eng gewickelte Drahtschleifen. Um diese Spule herum ist eine zweite Spule mit N2 = 10 Windungen gewickelt. Der gesamte Fluss aus der Spule 1 geht auch durch die Spule 2. a) Berechnen Sie die gegenseitige Induktivität 1 L2 der beiden Spulen! b) Der Strom I1 durch die erste Spule nimmt gleichförmig von 0 bis 10 A in 0, 1 s zu. Wie groß ist die Induktionsspannung in der zweiten Spule? Fließt der Induktionsstrom in der zweiten Spule in dieselbe Richtung wie I1 oder in die entgegengesetzte Richtung? 5.3.6. a) Welche Induktionsspannung wird in einer Spule mit 75 Windungen induziert, wenn der magnetische Fluss durch die Spule innerhalb von 3 s gleichförmig um 5 · 10−5 Tm2 zunimmt? b) Berechnen Sie die Selbstinduktivität einer langen zylingerförmigen Spule (N = 250, r = 1 cm, l = 50 cm)! Was gibt die Induktivität an und in welcher Einheit wird sie gemessen? 5.3.7. a) Wie groß ist die Selbstinduktionsspannung, die beim Ausschalten einer Spule der Selbstinduktivität L = 0, 2 H entsteht, wenn die Stromstärke von 2 A innerhalb von 10−4 s linear auf Null absinkt? b) Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Stromstärke in einem Stromkreis mit einer Spule beim Ein- und Ausschalten und erklären Sie den Verlauf! 5.3.8. a) Eine Spule mit der Induktivität L = 630 H wird von einem Strom der Stärke I = 0, 1 A durchflossen. Welche Selbstinduktionsspannung entsteht beim Ausschalten in der Zeitspanne von ∆t = 0, 01 s? b) Wie lange muss der Ausschaltvorgang dauern, damit die Selbstinduktionsspannung einer Spule mit L = 4, 46 H nicht über 500 V ansteigt, wenn die Spule von 20 mA durchflossenen wird? 1 chlitten aus Eisen ist? Begründe. wie üblich) aus Eisen. An welcher Position bleibt der Schlitten stehen, wenn man das erste ässt? Übungen Physik, FF2 SS 2017 atapult dienen und auf maximale Geschwindigkeit beschleunigt werden. Wie muss man die 5.3.9. Die Leiterschleife eines Wechselstromgenerators dreht sich 120 Mal in der Minute und erzeugt eine Schei- V. ganz rechten Spulenpaar fahren und dann stehen bleiben. Was vo dienen und telspannung langsam von bis30zum a) Berechnen Sie die Steuerung geändert werden? Frequenz f und ω, sowie T ! Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung! ⊙−⊗ ⊙−⊗ ⊙−⊗ ⊙−⊗ 5.3.10. a) Skizzieren Sie den Induktionsspannung U passend Verlauf derind Induktionsife in das Diagramm. spannung Uind passend Leiteschwindigkeit zurω Stellung einer der Leiterschleife in das Diagramm. l in der Sekunde um sich selber Das Magnetfeld B läuft ⊙−⊗ b) Wie groß ist die Spannung in den Zeitpunkten: t1 = 0, 6 s, t2 = 0, 8 s, t3 = 1, 125 s und t4 = 1, 25 s? Hinweis: Vergessen Sie nicht den Taschenrechner für die SIN-Berechnungen auf RAD umzuschalten ;-) ! Uind von oben nach unten. ale Induktionsspannung Uind, die t Hinweis: Überlegen Sie chnittsfläche Azuerst = 20 den cm2Verlauf und 100 des Flusses! gnetfeld mit Bmagnetischen = 0,1 T bei einer erzeugt? b) Wie groß ist die maximale Induktionsspannung U0 , die eine Spule mit der Querschnittsfläche A = 20 cm2 und 100 Windungen in einem Magnetfeld B = 0, 1 T bei einer Drehfrequenz von f = 50 Hz erzeugt? Auszug aus der Formelsammlung: 2 C ε0 = 8, 854 · 10−12 Nm 2, 1 4πε0 |Qe | = |Qp | = 1, 6 · 10−19 C, B= µ0 · I , 2π · r B= µ0 · N · I , ` 2 ≈ 1010 Nm C2 , Vs Vs µ0 = 1, 256 · 10−6 Am ≈ 4π · 10−7 Am me = 9, 1 · 10−31 kg, L= µ0 · N 2 · A , l mp = 1, 67 · 10−27 kg 1 L2 2 = µ0 · N1 · N2 · A l 1
