Lösungsvorschlag 2. Schulaufgabe aus der Physik

Lösungsvorschlag 2. Schulaufgabe aus der Physik
Klasse 10B/I
Name:
29 Pkt.
___________2011
1
1.1
1.2
P.
Eine Spule mit u-förmigem Eisenkern und einer Lampe L sind in Reihe an eine
Gleichspannungsquelle geschaltet. Die Lampe wird mit ihren Betriebsdaten
betrieben.
Was wird man beobachten, wenn man bei offenem Joch den Schalter schließt und
etwas später das Joch auflegt?
Erkläre die jeweiligen Beobachtungen.
Das Joch wird bei geschlossenem Schalter ruckartig abgenommen.
Was wird man beobachten und warum?
zu 1.1 Beobachtung:
Schließt man den Schalter, leuchtet das Lämpchen nicht sofort auf.
Wegen Selbstinduktion in der Spule leuchtet es erst etwas verzögert auf, dann aber mit seinen Betriebsdaten.
Legt man nun das Joch auf (das vom starken Elektromagneten der Spule fest angezogen wird), vermindert sich
die Leuchtkraft des Lämpchens erneut, es wir kurzzeitig schwächer und leuchtet etwas später wieder "normal".
Erklärung:
Beim Schließen des Schalters baut sich in der Spule nach und nach ein Magnetfeld auf. Die Wicklungsdrähte
der Spule sind nun der Änderung des eigenen Magnetfeldes unterworfen (Selbst-Induktion); das ist vergleichbar
einer Bewegung von Leitungen zu einem Magneten → Voraussetzung für Induktion. In der Spule wird also eine
Ind.-Spannung induziert, die (nach Lenz') der Ursache entgegen wirkt. Zur Quellenspannung gibt es also eine
Gegenspannung, die den Stromfluss, der die Lampe betreiben soll, hemmt. Also leuchtet sie erst dann "normal",
wenn das Magnetfeld fertig etabliert ist und es keine (Gegen-)Induktionsspannung mehr gibt.
Legt man nun das Joch auf, das stark angezogen wird (das dem System also Energie abverlangt), werden die
Wicklungen erneut der Änderung eines Magnetfeldes unterzogen → Voraussetzung für Induktion. Das
Lämpchen leuchtet wieder schwächer, weil (nach Lenz'scher Regel = Energie-Erhaltung-Satz) die Energie
irgend woher kommen muss. Nach kurzer Zeit, wenn die Änderung eines Magnetfeldes abgeschlossen ist,
leuchtet es wieder "normal".
zu 1.2 Man muss Kraft (längs eines Weges = Energie) aufbringen, um das Joch zu entfernen, also liefert man dem
System von außen Energie, d.h. irgendwo hin muss die Energie gehen, d. h. das Lämpchen leuchtet kurz heller
auf. Man kann durch sehr kräftiges, ruckartiges Entfernen sogar das Lämpchen zerstören (vgl. Versuch im
Unterricht).
2
2.1
2.2
2.3
Zwei Glühlampen L1(100V/60W) und L2(100V/40W) sollen mit einem Transformator betrieben werden, der primärseitig an das
230V-Netz angeschlossen wird.
Fertige eine Schaltskizze und begründe, warum es nicht sinnvoll ist, die Lampen L1 und L2 in Serie zu schalten.
Der Trafo hat einen Wirkungsgrad von 88%. Berechne die Primärstromstärke und die dem 230V-Netz entnommene Leistung.
Die Lampen L1 und L2 werden nun statt mit dem Trafo mit einem Vorwiderstand Rv betrieben.
Zeichne eine Schaltskizze und berechne den Vorwiderstand Rv, so wie den Wirkungsgrad dieser Schaltung.
zu 2.1 Serienschaltung nicht sinnvoll,
weil bei defekter Lampe1 auch sie zweite nicht mehr ginge;
weil der Trafo ein unsinniges Wicklungszahlverhältnis hätte;
weil die Lampen seriell nicht mit Betriebsdaten betrieben
werden können, (beide brauchen 100V, das geht nur parallel!)
zu 2.2 Gesamtleistung: Sekundärseite: PS=P1+P2
⇒ PS = 100W mit η =
PS
100W
⇒ PP =
= 113,64W ...dem Netz entnommene Leistung;
PP
0,88
mit P = U ⋅ I folgt : IP =
113,64W
= 0,49 A
230V
zu 2.3 Es gilt bei Serien-Schaltung:
Uges = UR V + ULampen
Hier : 230V = UR V + 100V ⇔ UR V = 130V;
60W
40W
= 0,6 A und I2 =
= 0,4 A ⇒ Iges = 1A
100V
100V
130V
und in Re ihenschaltung : Iges = IR V = 1A also ist R V =
= 130Ω
1A
Mit I1 =
Wirkungsgrad: mit Pges = 230V ⋅ 1A = 230W ⇒
3
zu 3
4
zu 4
η =
100W
= 43,48%
230W
Was besagt die "Lenz'sche Regel"?
(Antwort mit Skizzen und stichwortartigen Erklärungen)
Der Induktionsstrom fließt immer so, dass das von ihm hervorgerufene Magnetfeld seiner Entstehungsursache
entgegenwirkt. (ggf. Skizze: Fallversuch mit Neodym-Magnet im Kupferrohr)
In einem Versuch soll mit einem geeigneten Transformator ein Eisennagel zum Glühen gebracht werden.
Skizzieren diesen Versuch und beschreibe und begründe den Versuchsaufbau.
Wichtig: Primärspannung: 230V-Wechselspannung!
Bei Belastung gilt: 2. Transformatorgesetz:
IP nS
n
=
also IS = P ⋅ IP (… und ein Kurzschluss-Strom im
IS nP
nS
Nagel ist die größt denkbare Belastung…)
Man kann also mit einem Wicklungszahl-Verhältnis von
nP 500
=
= 100 den Primärstrom auf der Sekundärseite vernS
5
hundert-fachen.
Dieser große Stromfluss regt die Eisen-Atome des Nagels so heftig zum Schwingen an, dass er bis zur Rotglut
erhitzt werden kann.
5
zu 5
Ein kleiner Wagen mit einer Aluminiumplatte wird in ein Magnetfeld gerollt. Beschreibe,
was man beobachten wird und erkläre diese Beobachtung.
Im Aluquader wird eine Spannung induziert und, weil sich Elektronen frei
bewegen können, kann natürlich ein Induktionsstrom fließen.
Dieser Strom - man spricht hier
von Wirbelstrom oder Ringstrom
- ist (nach Lenz) so gerichtet,
dass daraus ein Magnetfeld
entsteht, das was seiner
Ursache entgegenwirkt (beim
Einfahren in den
Dauermagneten vorne Süd,
hinten Nord) → Abstoßung
→Abbremsung. Beim
Wegfahren vom
Dauermagneten entstehen Wirbelströme, die vorne einen Nordpol und hinten einen Südpol entwickeln →
Anziehung → auch Abbremsung!