Physik III Übung 4

Physik III
Übung 4
Stefan Reutter
Moritz Kütt
Franz Fujara
WiSe 2012
Aufgabe 1 [P] Diskussion: Motoren (schon wieder!)
Wir hatten ja schon in der letzten Übung einen Motor diskutiert. Nun gibt es aber noch eine
ganze Reihe anderer. Diskutiert (kurz!) Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren. Was ist
das grundlegende Prinzip? Was sind Vorteile und Nachteile bzw. unterschiedliche Bauformen?
Benötigt man für Motoren immer Permanentmagnete?
Aufgabe 2 [P] Diskussion: Ferritkerne?
An Kabeln von Computer-Peripherie-Geräten sind häufig Ferritkerne an den Enden angebracht
(Diese runden Dinger vor den Steckern). Warum?
Aufgabe 3 [P] Der RLC-Schwingkreis
In der Abbildung auf der linken Seite ist ein RLC-Schwingkreis dargestellt. Er besteht aus einem Widerstand R, einer Spule mit Induktivität
L und einem Kondensator der Kapazität C.
L
a) Bestimme eine DGL für den Stromfluss in diesem Stromkreis, löse sie
allgemein und bestimme die Kreisfrequenz.
R
b) Der Kondensator trage nun zu Beginn (t = 0) die Ladung Q = 0.01 C.
Bestimme, nach welcher Zeit t die maximale Spannung im Stromkreis
unter U = 10 V abgesunken ist. (R = 100Ω, L = 200mH, C = 100µF).
C
Aufgabe 4 [P] Schwere Impedanz
R1
ZL
Betrachte die Schaltung links mit einer sinusförmigen Eingangsspannung.
a) Berechne die Impedanz der Schaltung.
U
ZC
R2
b) Zeichne ein Zeigerdiagramm für den durch die Schaltung fließenden
Strom. Ermittle daraus die Phasendifferenz zwischen dem Gesamtstrom
und der Versorgungsspannung
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Aufgabe 5 [H] Induktivität
a) Eine Spule mit Selbstinduktivität L = 10 H werde von einem Strom der Stärke I = 3 A durchflossen, der sich nun mit einer Geschwindigkeit von 200 A/s ändere. Berechne den magnetischen
Fluss am Anfang und die Induktionsspannung in der Spule.
b) Die Spule wird nun von einem sinusförmigen Strom der Frequenz ν durchflossen. Berechne
und skizziere den magnetischen Fluss und die induzierte Spannung über der Zeit.
Aufgabe 6 [H] Motoranlauf
In Gleichstrommotoren schaltet man mitunter beim Anfahren einen Widerstand in Reihe zur
Rotorspule. Nachdem der Rotor eine gewisse Drehzahl erreicht hat, wird dieser abgeschaltet.
Betrachte einen Motor, der einen Widerstand von 1 Ω hat und bei einer Spannung von 230 V
einen Strom von 11.5 A aufnimmt.
a) Erkläre, warum man einen solchen Widerstand benötigt und warum man ihn während des
späteren Betriebes abschalten kann.
b) Wie groß muss er für einen Motor mindestens sein, der einen maximalen Strom von 23 A
aushält?
Aufgabe 7 [H] LC-Schwingkreis
L
In der Abbildung auf der linken Seite ist ein LC-Schwingkreis dargestellt. Er besteht aus einer Spule mit Induktivität L und einem Kondensator der Kapazität C. Es gibt keinen Widerstand, dies ist eine idealisierte Vorstellung!
a) Bestimme eine DGL für den Stromfluss in diesem Stromkreis, löse sie
allgemein und bestimme die Kreisfrequenz.
C
b) Der Kondensator hat eine Induktivität von C = 50µF. Wie viele Windungen muss eine mit luftgefüllte zylinderförmige Spule mit Radius
r = 2 cm und Länge l = 50 cm haben, damit der Schwingkreis mit
einer Kreisfrequenz von ω = 1000s−1 schwingt?
Aufgabe 8 [H] Transformator
Ein Transformator hat 400 Primär- und 8 Sekundärwindungen.
a) Vergrößert oder verkleinert er die Spannung?
b) Um welchen Faktor?
c) Welche Leerlaufspannung liegt an der Sekundärseite an, wenn die Primärwicklung mit 230 V
betrieben wird?
d) Wie groß ist der Sekundärstrom bei einem Primärstrom von 0.1 A?
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Aufgabe 9 [H] Leichte Impedanz
a) Berechne den Blindwiderstand einer Spule der Induktivität 1 mH bei einer Frequenz von
50 Hz.
b) Bei welcher Frequenz ist der Blindwiderstand eines Kondensators der Kapazität 10 µF gleich
dem einer Spule mit Induktivität 1 mH?
c) Der Kondensator und die Spule aus b) werden bei dieser Frequenz in Reihe geschaltet. Dahinter wird noch ein Widerstand von 10 Ω in Reihe geschaltet. Fertige ein Zeigerdiagramm für
die Impedanz des Stromkreises an.
d) Der Kondensator und die Spule aus b) werden bei dieser Frequenz parallel geschaltet. Dazu
wird noch ein Widerstand von 20 Ω parallel geschaltet. Fertige ein Zeigerdiagramm für den
Strom an.
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