PHYSIK GRUNDWISSEN 8

PHYSIK:
GRUNDWISSEN 10. KLASSE
I. Elektrische Größen
GRÖSSE
FORMEL
Q
t
Ladung Q
Stromstärke I
I
Elektrische Arbeit Wel
Spannung U
U
Elektrischer Widerstand R
Ohmsches Gesetz
Elektrische Leistung Pel
Kirchhoff-Regeln:
Serienschaltung von
Widerständen
Kirchhoff-Regeln:
Parallelschaltung von
Widerständen
Verlustleistung PL
Rechte-Faust-Regel
UVW-Regel der rechten Hand

Lorentzkraft FL
Induktion: im bewegten Leiter
im ruhenden Leiter
Regel von Lenz
Wel
Q
Bei schwacher Belastung
Elektromotor
Generator
Vakuumdiode
U: die am Leiter anliegende
Spannung, wenn bei Durchfluss von
Q die Arbeit Wel verrichtet wird
[Wel] = 1 J = 1 VAs = 1Ws
[U] = 1 V (Volt)
U
I
Der Widerstand eines metallischen Leiters ist
bei konstanter Temperatur konstant.
W
U2
Pel = el  U . I =
= I2 . R
R
t
R :
[R] = 1
U1
U2
Iges
R1 Uges R2
Uges
R1
I1
Iges
R2
1
1
1
1

 ...

R1
R2
Rn
R ges
PL = RL . I2
V
= 1  (Ohm)
A
[Pel] = 1 W
I1 = I2 = ... = In = Iges
U1 + U2 + ... + Un = Uges
R1 + R2 + ... + Rn = Rges
I1 + I2 + ... + In = Iges
U1 = U2 = ... = Uges
Uges
Verlust an Leistung PL in einer
elektrischen Leitung mit dem
Widerstand RL bei der Stromstärke I
I2
[PL] = 1 W
FORMEL - Bemerkungen
Raum, in dem auf ferromagnetische Körper Kräfte auftreten. Erzeugung: Dauermagnete oder
stromdurchflossene Leiter. Die Feldlinien verlaufen vom magnetischen Nordpol zum
magnetischen Südpol. U-Magnet und stromdurchflossene Spule: homogenes Magnetfeld.
Stromdurchflossener Leiter: konzentrische Kreise, die in Ebenen senkrecht zum Leiter
verlaufen.
Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand so, dass der Daumen in die technische
Stromrichtung zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger in die magnetische Feldlinienrichtung.
Zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung, der Zeigefinger in die Magnetfeldrichtung,
so weist der Mittelfinger in die Kraftrichtung.
Kraft auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld. FL = 0: Ladung bewegt sich parallel zum
Magnetfeld. FL maximal: Ladung bewegt sich senkrecht zum Magnetfeld
Bewegt man einen Leiter im Magnetfeld quer zur Feldrichtung oder dreht eine Leiterschleife im
Magnetfeld, so wird zwischen den Enden eine Spannung induziert.
Ändert man das Magnetfeld, das einen ruhenden Leiter durchsetzt, so wird zwischen den Enden
eine Spannung induziert.
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt.
Up
Transformator
[Q] = 1 As = 1 C (Coulomb)
[ I] = 1 A (Ampere)
Ladungsmenge Q durch einen
Leiterquerschnitt in der Zeit t
II. Grundbegriffe der Elektrotechnik
GRÖSSE
Magnetfeld
EINHEIT
Us
IP
IS


NP
NS
NS
NP
UP: Primärspannung
US: Sekundärspannung
NP, NS : Windungszahlen
IP, IS: Stromstärken
Umwandlung von Wechselspannungen
Umwandlung elektrischer Energie in Bewegungsenergie
Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie
Evakuierter Glaskolben mit Glühdraht (Katode) und Auffangblech (Anode).
Durchlassrichtung: Durch Anlegen einer Heizspannung werden Elektronen aus der Katode
emittiert (abgedampft) und durch Anlegen einer Anodenspannung zur Anode beschleunigt.
Sperrrichtung: Polt man die Anode negativ, so gelangen keine Elektronen zur Anode.
Musteraufgaben:
I
R
1. Zu: Elektrische Größen
geg.: U = 120 V, R = 20 , t  15 min
ges.: I, P, Wel, Q
Lös.: I = U/R = 6,0 A , Pel = U . I = 600 W.
Wel  U  I  t = 54 kWs = 0,18 kWh.
U
Q  I  t  5,4 103 C
R1
R2
2. Zu: Reihen-/Parallelschaltung von Widerständen
geg . : R1  20  , R2  40  , R3  40  , U ges  96 V
R3
ges. : alle Teilspannungen und Teilströme
R R
Lös . : R12  R1  R2  60  ; Rges  12 3  24 
R12  R3
I1  I 2  I12 
U12 96V

1,6 A ;
R12 60 
I3 
Uges
U 3 96 V

 2 ,4 A ; I ges  I1  I 2  4 ,0 A
R3 40 
U1  R1I1  32 V ; U 2  R2 I 2  64 V ; U 3  U12  U ges  96 V
3. Zu: Energieübertragung mittels Hochspannungstechnik
Die Generatoren eines Elektrizitätswerkes liefern bei einer Spannung von 5,5 kV die elektrische Leistung P o = 4,4
MW. Das E-Werk versorgt eine Kleinstadt über eine Freileitung, welche den Gesamtwiderstand 5,0  hat.
a) Welche Leistung würde bei direkter Übertragung in der Leitung verloren gehen?
b) Um die Verluste kleiner zu halten, wird die vom Generator gelieferte Spannung vor der Übertragung in einem
Transformator (1) auf 110 kV hochtransformiert und in der Kleinstadt in einem Transformator (2) auf 230 V
heruntertransformiert. Beide Transformatoren haben jeweils einen Wirkungsgrad von 90%. Berechnen Sie die
Leistung, die der Kleinstadt nun zur Verfügung steht, sowie den prozentualen Gesamtverlust an elektrischer
Leistung bei dieser Übertragung.
c) Wie teuer kommen die Leistungsverluste beim Transformieren in einer Woche, wenn der Preis für 1 kWh 14 Cent
beträgt?
d) Kann mit einem Transformator auch Gleichspannung transformiert werden? Begründen Sie Ihre Antwort!
Lösung : geg . : Po  4 ,4 MW  4 ,4 10 6 W ; U  5,5 kV  5,5 10 3 V ; R L  5,0 
a ) ges. : PL ( Verlustleistung in der Leitung )
Lös . : I 
Po
U

4 ,4 106
5 ,5 103
 800 A ( Strom in der Leitung ); PL  U L  I  RL  I 2  5,0  ( 800 A )2  3,2 MW
b ) geg : U1  110 kV ; U 2  230 V ;   90 %;
ges : P2 ; prozentualer Verlust
Po  P2
Po
;
Lös . : P1   Po  3,96 MW  4 ,0 MW ;
P
I1  U1 
1
4 ,0 MW
110kV
 36 A;
~
~
P1  P1  PL  4,0 MW  6 ,5 kW  4 ,0 MW ; P2   P1  3,6 MW ;
c ) Kosten : 14
Ct
kWh
 WVerlust  14
Ct
kWh
 PVerlust  t  14
Ct 
kWh
PL  I12  RL  6,5 kW ;
Po  P2
Po

4 ,4 MW  3,6 MW
4 ,4 MW
4,4 MW  3,6 MW   7  24 h  18816
 18 %
EUR
d ) Nur bei Änderung des Magnetfeldes tritt eine Induktionsspannung in der Sekundärspule auf .
4. Zu: Elektromotor
Eine Spule ist im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten drehbar aufgehängt (siehe
Zeichnung).
N
S
a) Zeichnen Sie die Bewegungsrichtung der Spule bei gegebener Stromrichtung in die Skizze
ein. Wo hat die Spule den Nordpol und wo den Südpol?
b) Erläutern Sie, was an diesem Aufbau verändert bzw. ergänzt werden muss, um ihn zu
einem Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, auszubauen.
c) Warum kann der Elektromotor aus Teilaufgabe b) nicht mit Wechselstrom betrieben
werden?
Lösung: a) Die Spule hat vorne den Südpol, hinten den Nordpol. Drehung im Uhrzeigersinn von oben gesehen.
b) Nach Drehung um 90 ° bleibt Spule stehen (ungleichnamige Pole stehen sich gegenüber). Umpolung der
Stromrichtung durch Kommutator.
c) Ständige Änderung der Stromrichtung in der Spule, somit ständige Änderung der Pole an der Spule  wegen
Trägheit der Spule keine Drehung.