μ μ π π π μ φ = π μ μ

6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
1
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6.3
Elektromagnetismus
Magnetisches Feld
109
a) Das Erd-Magnetfeld zeigt geografisch von Süden nach Norden. Im Osten des
stromdurchflossenen Drahtes zeigt das von ihm erzeugte Magnetfeld von Norden
nach Süden. Den Abstand vom Leiter findet man aus
I
0 I
BE ,h  0  r 
 19 cm.
2 r
2 BE ,h
b) 5.0 cm südlich vom Draht hat das Magnetfeld des stromdurchflossenen Drahtes die
 I
Stärke BL  0  8.0 10 5 T und zeigt von Osten nach Westen. Die Kompassnadel
2r
B
weicht von dieser Richtung um den Winkel   arctan E ,h  15o nach Norden ab.
BL
N
B
BE,h
BL
110
P
; 667 A
U
I
B  0 ; 3.81·10–5 T, das liegt in der Grössenordnung des Erdmagnetfelds.
2r
Eine angebrachte Kompassnadel schlägt tatsächlich auch aus.
I
111
Das Netzkabel ist zweiadrig und führt den Strom sowohl zum Staubsauer hin als auch
wieder zurück. Da sich die beiden Adern so nahe beieinander befinden, hebt das
Magnetfeld der zurückführenden Ader dasjenige der zuleitenden Ader auf. Zudem
führen beide Adern Wechselstrom. Die träge Kompassnadel könnte sich selbst bei
einem einadrigen Kabel nicht dem rasch ändernden Magnetfeld angleichen.
112
N  B ; 19.1 cm–1
l 0 I
6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
2
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113
a) Widerstand des Kupferdrahts: R   el
Stromstärke im Kupferdraht: I 
l
4l
  el 2 ; 2.4 
A
d
U
; 1.1 A
R  Ri
l
; 200
D
Länge L der Spule: L  Nd ; 10 cm
Magnetische Flussdichte (angenähert mit der Formel für eine schlanke Spule):
B  0 N I ; 2.9 mT
L
b) Anzahl Windungen: N 
c) Das Magnetfeld der Spule ist 100-mal stärker als das Erdmagnetfeld. Der Ausschlag
kann also beobachtet werden.
114
a) Die Nadel richtet sich nach dem resultierenden Feld aus. Neben dem Erdmagnetfeld
erzeugt die Spule ein Feld im rechten Winkel dazu. Je stärker dieses Feld ist, desto
mehr wird die Nadel abgelenkt (Vektoraddition der beiden Flussdichten).
b) Trigonometrie:
Schlanke Spule:
BSpule
BE ,h
BSpule
 tan 
N
 0 I
l
BE ,h 
0 N I
l ;
tan 
2.1·10–5 T
115
a) tan   B  B  BE ,h tan   k  I  I  konstant
BE ,h
tan 
Da B  BE ,h tan  ist, ist B proportional zu I, wenn
I
0
30 mA
o

0
13
I / tan
-
0.130 A
60 mA
25
o
0.129 A
90 mA
34
o
0.133 A
I
konstant ist.
tan 
120 mA
43
o
0.129 A
150 mA
50
o
0.126 A
180 mA
55o
0.126 A
Das Verhältnis I / tanist ziemlich konstant und beträgt (0.129  0.003) A. Daher ist
B proportional zu I.
b) Aus B  BE ,h  tan    0 N I erhalten Sie mit I  (0.129  0.003)A
l
tan 
BE ,h  21.6 T  0.5 T
6.3 Elektromagnetismus
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116
a) Die Feldlinien sind kreisförmig und verlaufen ganz im Inneren des Ringes.
N
b) B   0 I ; wobei l die mittlere Länge einer Feldlinie ist; 1.3·10–3 T
l
117
Formel für eine flache Spule: B   0
N
I
2r
2rB
; 11 A
0 N
I
118
a) B0 
 0 IN
b)
2R
3
 4  2  NI
c) B0    0
R
5
d)
e)
 NI
B0  2 0
4 R
Beträgt der Spulenabstand 2R, dann ist die magnetische Flussdichte im Zentrum in
z-Richtung inhomogen (Fall e)).
Beträgt der Spulenabstand R, dann ist das Magnetfeld im Zentrum in z-Richtung
homogen (Fall d)).
119
a) B0 
 0 IN
l2  d 2
(dies geht für schlanke Spulen in B 
 0 IN
l
über)
3
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6.3 Elektromagnetismus
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b)
c) B0 
 0 IN
, dies geht für schlanke Spulen in B 
 0 IN
über, das heisst,
2l
4l 2  d 2
das Magnetfeld ist am Ausgang von schlanken Spulen nur halb so gross wie im
Zentrum.
d)
d
 0.14
l
Kraft auf Leiter im Magnetfeld
120
a) s  N D  25 m
c) I 
U
 0.31A
R
b) R  
4s
 8.5 
d 2
d) F  IsB  0.15 N
121
a) Die Lorentzkraft ist maximal, wenn die Leitung von Ost nach West verläuft.
Die Lorentzkraft ist null, wenn die Leitung von Nord nach Süd verläuft.
b) F  IsB ; 0.38 N
c) Nein, die Lorentzkraft ist viel kleiner als die Gewichtskraft.
122
Der Strom durch die Aufhängung erzeugt keine vertikale Kraftkomponente. Einzig das
horizontale Leiterstück erzeugt eine vertikale Kraftkomponente.
mg
F  IsB  m  g  B 
 0.34 T
Is
123
a) F  N1 I1s10
N2 I2
Fl2
; 1.23·10–6 VsA–1m–1
 0 
l2
N 2 I 2 N1 I1s1
b)  0  4 107 VsA 1m 1 ; Abweichung nur rund 2.2 %
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6.3 Elektromagnetismus
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124
a) Am Ort des zweiten Drahtes erzeugt der erste Draht ein Magnetfeld mit der Stärke
B  0 I .
2 r

In diesem Magnetfeld erfährt der zweite Draht die Lorentz-Kraft F  IsB  0 s I 2 .
2 r
Mit s = r = 1 m, I = 1 A und F  2 10 7 N erhält man  0  4 107 VsA 1m 1
q.e.d.
b) Im ersten Versuch stossen sich die Drähte gegenseitig ab, im zweiten ziehen sie sich
gegenseitig an.
c) Mit r = s = 1.0 cm und I = 50 A erhält man F  0.50 mN , eine schwache, jedoch
gut beobachtbare Wirkung (siehe Abbildung bei der Aufgabe im Buch).
125
a) Wenn die Normale zur Spulenebene senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes steht,
tritt das grösste Drehmoment auf. Die längeren Rechteckseiten erfahren antiparallele
Kräfte, die ein Drehmoment um die Drehachse erzeugen.
b) M max  Fa  NbIBa  NI
Der magnetische Fluss  durch die Spule ist  = abB = 3.6 10 6 Vs.
Das maximale Drehmoment beträgt 3.6 106 Nm.
c) M  M max  sin   1.8 106 Nm
d) Es tritt kein Drehmoment mehr auf. Alle 4 Seiten des Rechtecks erfahren Kräfte
zum Zentrum des Rechtecks hin. Das Magnetfeld versucht die Spule zu ihrem
Mittelpunkt hin zu kontrahieren oder vom Mittelpunkt weg zu expandieren, je
nach Stromrichtung.
Kraft auf Teilchen im Magnetfeld
126
a) Eel  Ekin , eU  1 mv 2  v  2 e U ; 8.6·106 m/s
me
2
2
m
b) evB  me v  B  e v ; 1.2 mT
r
e r
6.3 Elektromagnetismus
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127
2
Lorentzkraft = Zentripetalkraft: eBv  me v  v  eBr
r
m
me 2
v v  2 e U.
2
me
Setzen wir die beiden Ausdrücke für die Geschwindigkeit gleich, so erhalten wir daraus
e  2U ; 1.8 1011 C/kg
me B 2 r 2
Die Geschwindigkeit v erhält man auch aus der Beziehung eU 
128
2
qBr
Lorentzkraft = Zentripetalkraft: qBv  m v  v 
r
m
Mit q  2 1.60 1019 C und m  4u  6.6 1027 kg erhält man v  4.9 106 m/s.
129
a) r 
mpv
eB
2m p
b) T  2 r 
 f (r , v, Ekin )
v
eB
130
a) v 
2E
; 6.2 107 m/s
mP
b) B 
mP v
; 0.29 T
re
131
a) E kin  E el  QU  f (m)
b) v  2
r
e
U
m
mv

eB
2mU
 f ( m)
eB 2
c) rH : rD : rT  mH : mD : mT ; ≈ 1 : 2 : 3
132
Die negativ geladenen Elektronen fliegen «von hinten» auf den Bildschirm. Der
Hufeisenmagnet baut zwischen den beiden Polen ein Magnetfeld auf, welches vom
roten zum grünen Pol zeigt. Gemäss der Regel der rechten Hand wirkt auf die
Elektronen eine Kraft nach links. Das verursacht die dicke Backe. Der rote Pol des
Magneten befindet sich oben, der grüne unten.
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6.3 Elektromagnetismus
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133
a) Die Bewegung des Teilchens kann in zwei Komponenten zerlegt werden. Die erste

Komponente v p  v  cos  des Geschwindigkeitsvektors v verläuft parallel zu den
Feldlinien, die zweite v s senkrecht. Parallel zu den Feldlinien wirkt keine
Lorentzkraft. v p verändert sich deshalb nicht. Die Komponente vs  v  sin  wird
durch die Lorentzkraft in einer Ebene, die senkrecht zu den Feldlinien verläuft,
gedreht. Das Teilchen bewegt sich in dieser Ebene mit der konstanten
Geschwindigkeit vs  v  sin  auf einer Kreisbahn. Zugleich verschiebt sich die
Ebene mit der konstanten Geschwindigkeit v p  v  cos  in Richtung der Feldlinien.
b) Den Radius der Kreisbahn erhält man aus der Beziehung
v 2 sin 2 
mv sin 
r
«Lorentzkraft = Zentripetalkraft»: qBv sin   m
r
qB
2 r 2 m

verschiebt sich das Teilchen um die Strecke
In der Umlaufszeit T 
vs
qB
2 mv cos 
s p  Tv cos  
. Das ist die Ganghöhe der Schraubenlinie.
qB
134
a) Aus dem Kräftegleichgewicht Fel  FL , d.h. qE  qvB und U H  Eb folgt
E UH
; 2.0 mm/s

B Bb
(Aus der Energieerhaltung FL b  U H q folgt dasselbe.)
v
b) n 
I
IB
; 1.2·1029 m 3

Aqv dqU H
c) nCu   Cu
x
NA
;
M Cu
8.5 10 28 m 3
n
; 1.4 Elektronen pro Kupferatom!
nCu
135
Aus I  qnAv und qE H  qvB und U H  E H b folgt mit A  bd und q = e:
B
U nde
EH U H
UH


 H
; 0.08 T
I
v
bv b I
nebd
6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
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Elektromagnetische Induktion
136
Φ
U
b
b
a
a
s
a
a
s
137
Es funktioniert nicht. Es entsteht keine Induktionsspannung, weil der magnetische Fluss
durch die Spule auch beim Fahren des Zuges konstant ist. Damit eine Induktionsspannung entsteht, muss sich der magnetische Fluss durch die Spule ändern.
138
Draht, Feld und Bewegung senkrecht zueinander
U  Bvl ; 0.36 V
139
a)
Uind
1
3 t
2
b) Zu 1: eine rechteckige Leiterschleife mit einer Kante voran und mit konstanter
Geschwindigkeit aus einem begrenzten, homogenen Magnetfeld herausziehen.
Oder mit einem Elektromagneten ein konstant abnehmendes Magnetfeld in der
Leiterschleife erzeugen.
Zu 2: eine rechteckige Leiterschleife mit einer Kante voran und mit konstanter
Geschwindigkeit in ein begrenztes, homogenes Magnetfeld hineinstossen.
Oder mit einem Elektromagneten ein konstant zunehmendes Magnetfeld in der
Leiterschleife erzeugen.
Zu 3: eine Leiterschleife in einem Magnetfeld ruhen lassen.
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
6.3 Elektromagnetismus
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140
a)
Φ
t
1
2
3
b) Zu 1: eine rechteckige Leiterschleife mit einer Seite voran und mit konstanter
Verzögerung in ein begrenztes, homogenes Magnetfeld hineinstossen.
Oder eine dreieckige, rechtwinklige Leiterschleife mit einer Kathete voran mit
konstanter Geschwindigkeit in ein begrenztes, homogenes Magnetfeld hineinstossen.
Zu 2: eine rechteckige Leiterschleife mit einer Seite voran und mit konstanter
Beschleunigung in ein begrenztes, homogenes Magnetfeld hineinstossen.
Oder eine dreieckige, rechtwinklige Leiterschleife mit der Spitze voran parallel zu
einer Kathete mit konstanter Geschwindigkeit in ein begrenztes, homogenes
Magnetfeld hineinstossen.
Zu 3: eine rechteckige Leiterschleife mit einer Seite voran und mit konstanter
Geschwindigkeit in ein begrenztes, homogenes Magnetfeld hineinstossen.
Oder mit einem Elektromagneten ein konstant zunehmendes Magnetfeld in der
Leiterschleife erzeugen.
141
Gesucht ist die Kurve, deren negative Ableitung Uind(t) ergibt. Die Kurve sieht etwa so
aus, wie die abgebildete durchgezogene Linie. Mathematisch betrachtet könnte sie nach
oben oder unten verschoben sein (gestrichelte Linien). Es kommt also eine ganze
Kurvenschar in Frage. Auch physikalisch würde ein zusätzlicher, konstanter
magnetischer Fluss (z.B. vom Erdmagnetfeld) keinen Einfluss auf die Induktionsspannung haben.
Φ
tM
t
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6.3 Elektromagnetismus
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142
Uind
Schliessen
t
Öffnen
Den Verlauf von Uind (t) finden Sie, indem Sie mit einem Lineal tangential an der
Funktion (t) entlangfahren und so die Steigung der Kurve feststellen. An der
gestrichelten Linie zwischen Öffnen und Schliessen z.B. ist die Steigung von (t) null
und daher ist auch Uind (t) dort null. Kurz nach dem Beginn des Öffnens ist (t) am
steilsten. Deshalb ist dort der Betrag von Uind (t) am grössten. In der Praxis erfolgt zu
diesem Zeitpukt die Zündung im Zylinder des Motors.
143
Induktionsgesetz: U ind      Bsvt   Bsv   RI
t
t
Lorentzkraft: F  IsB
Gleichgewicht der Kräfte:
2 2
mg (sin   μG cos  ) R
mg sin   G mg cos   IsB  s B v  v 
; 2.6 m/s
s2 B2
R
144
a) Durch das Drehen der Ankerspule wird in dieser eine Gegenspannung induziert, die
bei der maximalen Drehzahl im Leerlauf maximal ist und mit dem Sinken der Drehzahl bei zunehmender Belastung abnimmt. Die Spannung am Anker ist damit beim
Leerlauf am kleinsten und nimmt mit zunehmender Belastung zu. Die Stromstärke
ist proportional zur Spannung am Anker. Damit nimmt die elektrische Leistung mit
zunehmender Belastung zu.
b) Beim Einschalten steht der Anker noch still. Die induzierte Gegenspannung ist null.
Daher sind die Spannung am Anker und die Stromstärke kurzzeitig sehr gross.
c) Der Mixer darf nicht blockieren. Steht ein Elektromotor still, wird keine Gegenspannung induziert, und die Stromstärke wird sehr gross. Wenn keine Sicherung den
Strom unterbricht, kann der Motor «durchbrennen».
145
a) U A  RA I A ; 6.30 V; U ind  U tot  U A ; 17.7 V
b) P  UI ; 40.3 W;
29.7 W;
10.6 W
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
6.3 Elektromagnetismus
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c)  
U
Pmech
 ind ; 73.8 %
Pelektrisch U tot
d) Ein Teil der berechneten mechanischen Leistung wird zur Überwindung der
Reibung benötigt.
146
a) Nach Schliessen des Stromkreises beginnt elektrische Ladung zu fliessen. In der
Spule entsteht ein magnetisches Feld. Der magnetische Fluss durch die Spule nimmt
zu. Nach dem Induktionsgesetz führt dies zu einer Induktionsspannung zwischen
den Enden der Spule. Nach der Lenz’schen Regel wirkt diese Induktionsspannung
ihrer Ursache entgegen. Die Induktionsspannung ist also so gerichtet, dass sie den
Strom behindert.
b) Nach den Aussagen in a) muss beim Schliessen der Betrag der Induktionsspannung
immer kleiner als der Betrag der angelegten Spannung sein, weil andernfalls der
Strom nicht einsetzen bzw. nicht zunehmen würde. Die Stromstärke wiederum kann
nicht beliebig schnell zunehmen, weil sonst die bremsende Wirkung der Induktionsspannung zu gross wird. Beim Öffnen des Stromkreises ist nach der Lenz’schen
Regel die Induktionsspannung gleichgerichtet wie die vor dem Öffnen an der Spule
anliegende Spannung. Die Spannung kann beliebig hohe Werte annehmen, wenn die
Stromstärke schnell genug abnimmt. In der Praxis kommt es zu Überschlägen in der
Luft (Funken) oder eben zum Stromfluss durch das Gas der Leuchtstofflampe.
c) Der magnetische Fluss  ist das Produkt aus Flussdichte B und Spulenquerschnittsfläche A:   BA
Die Flussdichte in einer langen Spule ist: B  0  r N I
l
Daher ist:   0  r N AI
l
Mit U ind   N  und weil die Stromstärke I die einzige veränderliche Grösse ist,
t
2
folgt: U ind    0  r N A I
l
t
Die Selbstinduktionsspannung ist proportional zum Quadrat der Windungszahl N
und zur Spulenquerschnittsfläche A. Sie ist umgekehrt proportional zur Länge l der
Spule.
2
(Bemerkung: Der Ausdruck  0  r N A wird Induktivität L der Spule genannt.)
l
147
N
Bl
; 200
 r 
0 NI
l
N 2 r2
; 0.319 H
c) L  0 r
l
a) B  0  r I
b)   BA  0  r I
N 2
 r ; 1.52·10-3 Wb
l
d) L  4 L ; B  B ;    4
6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
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Wechselspannung, Wechselstrom
148
 
  B  A  B r 2  cos  ;
3.2·10–5 Wb; 2.3·10–5 Wb; 1.6·10–5 Wb; 0; –1.6·10–5 Wb; –3.2·10–5 Wb
149
  BA cos(t )  Bmax sin(t )  A cos(t )  1 Bmax A sin(2t )
2
Die Frequenz des magnetischen Flusses ist doppelt so gross wie die gewählte Frequenz.
150
a) Der Strom, der durch die Lampe fliesst, fliesst auch durch die Spulenwindungen
des Generators. Dadurch entsteht nach der Lenz‘schen Regel eine bremsende Kraft
auf den Rotor des Generators. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen antreibendem und bremsendem Drehmoment ein, was zu einer konstanten Drehzahl führt.
Die zweite Lampe führt vorübergehend zur Zunahme von Stromstärke und Bremswirkung. Durch den Rückgang der Drehzahl gehen auch die Spannung und die
Stromstärke zurück, bis sich erneut eine konstante Drehzahl einstellt.
b) Die Wassermenge, die auf die Turbinenschaufeln trifft, wird mit einem elektrisch
betriebenen Ventil reguliert, so dass die Drehzahl konstant gehalten werden kann.
151
U in V
4
a)
b)
0
2 t in s
1
–4
152
a)
Uind
t
6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
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b)
Uind
t
c) Wenn die Leiterschleife geschlossen ist, fliesst ein Strom. Dadurch wirkt auf die
Leiterschleife nach der Lenz‘schen Regel eine bremsende Kraft. Anders gesagt wird
hier die Schwingungsenergie über den Weg der elektrischen Arbeit in Wärme
umgewandelt. Bei einer offenen Leiterschleife gibt es zwar eine Wechselspannung,
aber keinen Strom. So geht auf diesem Weg keine Energie verloren, und die
Dämpfung der Schwingung ist geringer.
Blsˆ
; 0.82 mV
d) Uˆ 
m D
153
a) Die Drehachse muss in Ost-West-Richtung verlaufen.
b) Für den Scheitelwert einer im homogenen Magnetfeld mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit rotierenden Spule gilt Û  ANB .
UˆT
AN 
; 2260 m2 (also z.B. 4520 Windungen bei 0.500 m2 Spulenfläche)
2B
ˆ
2 NUT
 168 m  N
B

Für N = 1 ist die Fläche sehr gross und folglich auch der Durchmesser (54 m). Es
gibt Probleme mit der Stabilität und der Luftreibung. Mit zunehmender Windungszahl muss der Draht immer länger werden. Damit nimmt auch die Masse der Spule
zu. Das kann zu Problemen mit der Trägheit und der Lagerreibung führen. Wenn Sie
besonders dünnen Draht für eine leichte Spule verwenden, hat Ihr Generator einen
sehr hohen Ohm’schen Innenwiderstand.
c) l  2 N
A

6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
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154
a) Der Effektivwert ist diejenige Gleichspannung, die in einem Ohm‘schen Widerstand
die gleiche Leistung erzeugen würde, wie die betreffende Wechselspannung im
Mittel erzeugt.
b)
P
P
P
1
1
t
1
P
1
1
t
1
T
t
1
T
t
1
T
T
Leistung P in Watt mit 1 W = 1 Häuschen, Zeit t in Sekunden mit 1 s = 1 Häuschen
T1 = 2.0 s;
T2 = 4.0 s;
T3 = 8.0 s;
T4 = 6.0 s
P1 = 4.0 W
P2 = 2.0 W;
P3 = 1.5 W;
P4 = 2.0 W
2
c) P  U  U eff  RP ; 2.0 V; 1.4 V; 1.2 V; 1.4 V
R
155
a)
U in V
U in V
10
10
T
–10
t
10
T
–10
b) Û =
U in V
t
T
t
–10
2 U1 ; 14.1 V
c) P2  1 P1  U 2  2 U1  1 Û; 7.07 V;
2
2
2
Nur jede zweite Halbwelle wird ausgenützt, die Spannung hat eine grosse
Welligkeit.
d) U3 = U1; 10.0 V
6.3 Elektromagnetismus
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
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156
a) Sinusförmige Wechselspannung mit der Frequenz 50 Hz.
Der Effektivwert der Wechselspannung ist 230 V bzw. 400 V.
b) Der Scheitelwert der Spannung ist die Amplitude der sinusförmigen
Wechselspannung.
Der Effektivwert ist diejenige Gleichspannung, welche in einem Ohm’schen
Widerstand die gleiche Leistung erzeugen würde, wie die betreffende Wechselspannung im Mittel erzeugt.
c) Fünfpolige Steckdosen werden für Elektrogeräte hoher Leistung verwendet, z.B.
Kochherde. Diese werden mit der Spannung 400 V betrieben.
d) Bei einer fünfpoligen Steckdose (Typ 15) bilden die drei runden Löcher mit der
Phase L1, dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE (= Erde) eine
«gewöhnliche» 230-V-Steckdose. Dort kann Sebastian den dreipoligen Stecker
seiner Verstärkeranlage anschliessen.
157
P
; 110 mA
U
Wenn ein zweiter Schalter geschlossen wird, bleibt die Stromstärke 110 mA.
Wenn alle drei Schalter geschlossen sind, ist die Stromstärke 0 mA.
Die drei Glühlampen leuchten normal weiter.
Die sinusförmigen Wechselströme von den drei Phasen zum Neutralleiter sind um je
120° phasenverschoben. Die Summe von zwei Strömen hat den gleichen Scheitelwert, ist aber um 60° zu den beiden Teilströmen phasenverschoben. Die Summe
aller drei Teilströme ist zu jedem Zeitpunkt null.
a) I 
b)
c)
d)
e)
158
a)
b)
c)
d)
A, B und C leuchten normal, D leuchtet nicht.
B und D leuchten schwach, da in Serie an 230 V.
A und C leuchten fast normal, da in Serie an 400 V.
A, B und C leuchten normal, D leuchtet nicht.
159
U out
; 11 V
2
c) Das Netzgerät wird warm.
a) U 2 
b) n2  n1
160
a) n1  n2
b) I1 
U1
; 180
U2
 P
P1
; 3.6 kA; I 2  Trafo 1 ; 0.22 kA
U1
U2
U2
; 59
U in
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
6.3 Elektromagnetismus
16
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P
l 2
I 2 ; (1  tot )  5%  Wärme ; 0.21 MW; 5.2 %
A
Trafo P1
P
l
 )  Wärme ; 59 %
 el I12 ; (1  tot
A
P1
c) PWärme  el

d) PWärme
161
2r
a) U ind      ABˆ cos  t , R   el 2 , A   r 2
b
t
Der zeitliche Mittelwert von sin2, bzw. cos2 beträgt 1 .
2
1
A 2 Bˆ 2  2 b 2
2
U ind
r 3b 2 2 Bˆ 2
2

=
P
R
 el 2r
4  el
b) Pt  cm , m  V  b 2 2r , (mit V  2rb 2 )
8  cel
t
; 6.2 min
2
ˆ
r B


162
a) Es handelt sich um eine Reihenschaltung von ohmschem
Widerstand und Spule. In einem Zeigerdiagramm wird
Û
Uˆ L
der Zusammenhang zwischen Netzspannung und den anderen Spannungen im Stromkreis ermittelt (Wir wählen
Î
Uˆ R
willkürlich den Zeitpunkt, in dem der Zeiger für die
Stromstärke nach rechts weist):
2
2
Uˆ 2  Uˆ R  Uˆ L
Uˆ
Der induktive Widerstand der Spule ist RL  L   L , wobei L die
Iˆ
Selbstinduktivität der Spule ist.
Mit den Beziehungen P  U R,eff I eff , Iˆ  I eff 2 und Uˆ  U eff 2 finden wir:
U R,eff
2
2
1
2 U eff
L  1 Uˆ 2  Uˆ R 2 
 U R,eff

P  2 f
I eff 2  
Iˆ
2
2
 U R,eff
 2.5 H
U eff
b) Bei gleichem Scheinwiderstand (Impedanz) Z zur Strombegrenzung verringert sich
nach L  Z die benötigte Induktivität. Damit kann die Grösse der Spule drastisch
2 f
2
verringert werden ( L   0  r  n A ).
l
Physik anwenden und verstehen: Lösungen
6.3 Elektromagnetismus
© 2004 Orell Füssli Verlag AG
Elektromagnetische Schwingungen
163
a) Federpendel: Potentielle und kinetische Energie,
Schwingkreis: Elektrische und magnetische Energie
b) Die Trägheit der Kugel (Masse m) entspricht der Induktivität der Spule.
Die Härte der Feder (Federkonstante D) entspricht dem reziproken Wert der
Kapazität des Kondensators.
c) Der Ohm’sche Widerstand bewirkt eine Dämpfung; er entspricht der Reibung.
164
1
f 1
; 2.0 Hz
T 2 LC
165
a) T  2 LC  1  C  21 2 ; 9.83 pF
4 Lf
f
2
f min
2
f 2  ( f s2  f min
f s2
)
b)   max
180



180 ; 133°
2
2
2
f min
f s2  ( f max
)
 f min
1 2
f max
1
166
T0  2 LC ,
L
C  C1 f 0
T1
f2

  C  C1  2 1 2 ; 32.0 pF;
T0
f1
f 0  f1
C
1
; 2.20 mH
4 f 02C
2
17