Realschule 2. Physikschulaufgabe · Die Wirkung der Induktion wird beim Elektromotor, Generator,...

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2. PhysikschulaufgabeKlasse 10 I

RP_A0020 **** Lösungen 4 Seiten (RP_L0020) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de

Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator, Generator

1. Welche Aussagen über die „elektromagnetische Induktion“ sind richtig (R),und welche sind falsch (F)? Tragen Sie den entsprechenden Buchstaben ein.

Es handelt sich um elektromagnetische Induktion, wenn ein Leiter in einemMagnetfeld so bewegt wird, dass dabei an seinen Enden eine Spannung entsteht.

Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie geschieht mithilfe derelektromagnetischen Induktion.

Wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, entsteht immer elektro-magnetische Induktion.

Die Induktionsspannung ist stets so gerichtet, dass sie der Ursache ihrerEntstehung entgegen wirkt.

Es entsteht bei einem Leiterstück nur dann eine Induktionsspannung, wenn derLeiter die Feldlinien eines Magnetfeldes senkrecht schneidet.

Die Wirkung der Induktion wird beim Elektromotor, Generator, Dynamo undTransformator genutzt.

2. Wovon hängt die Wirkung der elektromagnetischen Induktion ab, wenn sich einLeiter im Magnetfeld bewegt?

3. Was passiert, wenn ein Stabmagnet in einer kurzgeschlossenen Spule liegt?Begründen Sie.

4. Ein gerader Kupferdraht wird losgelassenund fällt durch ein homogenes Magnetfeld(siehe nebenstehende Skizze).In welche Richtung bewegen sich die Leitungs-elektronen, während der Draht durch dasMagnetfeld fällt?Begründen Sie Ihre Aussage ausführlich.

5.1 Fertigen Sie eine Skizze zum Aufbau eines Transformators an (mit Beschriftung).

5.2 Welchen Zweck hat ein Transformator? Erklären Sie seine Funktionsweise.

5.3 Was versteht man unter einem unbelasteten, was unter einem belasteten Trafo?

5.4 Beim Betrieb eines Transformators erwärmt sich der Eisenkern. Geben Sie zweiGründe dafür an.

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5.5 Die Primärspule eines Trafos mit Pn 200< liegt an 230 V Wechselspannung.Berechnen Sie jeweils die Sekundärspannung für folgende Sekundärspulen(a) Sn 8 000<

(b) Sn 25<

Geben Sie für jede Variante ein Anwendungsbeispiel an.

6.1 Skizzieren Sie jeweils den grundsätzlichen Aufbau eines einfachen Innenpol-und Außenpolgenerators (jeweils mit Dauermagnet) und beschreiben Sie kurzdie Funktionsweise der beiden Generatoren.

6.2 Welche Energieumwandlung findet statt?

6.3 Erstellen Sie ein qualitatives (prinzipielles) U - t - Diagramm für 1 gleichförmigeUmdrehung des Rotors eines Generators, wenn kein Polwender / Kommutatoreingesetzt wird.

6.4 In Großanlagen (z. B. Kraftwerke) kommen meist Innenpolgeneratoren zum Einsatz.Nennen Sie zwei Vorteile eines Innenpolgenerators gegenüber einem Außenpol-generator.

6.5 Ein Außenpolgenerator erzeugt eine Wechselspannung von 60 Hz. Berechnen Siefür die Induktionsspule die Anzahl ihrer Umdrehungen pro Minute.

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator

1. Unter welcher Voraussetzung tritt in einer Spule eine Induktionsspannung auf?

2.1 Wie lautet die Lenzsche Regel?2.2 Die Lenzsche Regel stimmt mit dem Energieerhaltungssatz überein. Warum?

3. Was versteht man unter einer Feldspule, was unter einer Induktionsspule?

4. Im homogenen Magnetfeld eines Hufeisen-magneten ist ein gerades Leiterstück anzwei Drähten so aufgehängt, dass es frei hin-und herschwingen kann, wenn man es mitder Hand aus der Ruhelage auslenkt unddann loslässt (siehe Abb. rechts).Beschreiben und begründen Sie mithilfephysikalischer Fachbegriffe die Auswirkun-gen auf das Leiterstück (Ladung, Polarität,Induktion).

5.0 In einem Versuch wird die Abhängigkeitder Induktionsspannung von derWindungszahl einer Spule untersucht(siehe Abb. unten).Dafür werden drei Spulen mit verschiedenenWindungszahlen zusammen mit einemStrommessgerät in einem gemeinsamenStromkreis in Reihe geschaltet.Ein geeigneter Stabmagnet wird nacheinander durch die Spulen geführt und derjeweilige Strom wird am Strommessgerät abgelesen.

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5.1 Welche Bedingung ist bei der Versuchsdurchführung einzuhalten, um das Versuchs-ergebnis nicht zu verfälschen?

5.2 Warum müssen die Spulen in Reihe geschaltet werden?5.3 Formulieren Sie das mögliche Versuchsergebnis.5.4 Von welchen weiteren Größen hängt die Induktionsspannung bei diesem Versuch

ab?

6.1 Beschriften Sie folgende Prinzipskizzeeines Transformators.

6.2 Wie wird die Energie von der einen zur anderen Spule übertragen?6.3 Welche grundsätzliche Eigenschaft muss eine Spannungsquelle aufweisen,

damit ein Transformator funktioniert? Begründung!6.4 Wodurch treten Verluste bei der Energieübertragung am Transformator auf und

durch welche Maßnahmen können diese Verluste verringert werden?

7.1 Ein Transformator mit den Windungszahlen Pn 750< , Sn 30< wird an unserHaushaltsnetz (230 V) angeschlossen. Durch einen Energiewandler (Verbraucher)im Sekundärstromkreis fließt ein Strom von 3,5 A.Welche Spannung liegt am Energiewandler an?(Voraussetzung: idealer Trafo, d. h. 1γ < )

7.2 Welcher Strom fließt im Primärkreis des Transformators aus 7.1, wenn derWirkungsgrad 84% beträgt?

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator, Halbleiter

1.1 Unter welcher Voraussetzung wird in einem geraden Leiter, den man in einemMagnetfeld bewegt, eine Spannung induziert?

1.2 Wovon hängt die Stärke der induzierten Spannung ab?

2.0 Eine Leiterschaukel hängt frei beweglich zwischenden Polen eines Hufeisenmagneten (vgl. Abb.).

2.1 In welche Richtung bewegt sich die Leiterschaukel,wenn der Schalter S geschlossen wird und somitStrom fließt?

2.2 Ergänzen Sie die Zeichnung mit einem Pfeil fürdie Richtung der Leiterbewegung. Geben Sie auchdie Richtung der Magnetfeldlinien an und tragenSie die technische Stromrichtung ein.Ordnen Sie die entsprechenden Größen denBegriffen U…, V…, W… zu.

2.3 Was ist mit UVW gemeint?2.4 Nennen Sie zwei Möglichkeiten, wie man bei

dem Versuch die Bewegungsrichtung derLeiterschaukel beim Schließen des Schaltersverändern kann.

3. Für einen Versuch ist eine Spuleneben einem Elektromagnetenangeordnet. Die Induktionsspuleist beweglich, der Elektromagnetist feststehend (vgl. Abb. rechts).Welche Möglichkeiten haben Sie beidiesem Versuch, in der Spule einenInduktionsstrom zu erzeugen?Begründen Sie kurz Ihre Aussagen.

4. Formulieren Sie das Induktionsgesetz für eine Spule (kurz, aber in ganzen Sätzen).

5.0 Ein idealer Transformator ist an das Stromnetz (230 V) angeschlossen. DiePrimärspule besitzt 920 Windungen.

5.1 Berechnen Sie die Zahl der Windungen auf der Sekundärseite, wenn an diesenTrafo eine 6,0 V - Lampe angeschlossen werden soll.

5.2 Berechnen Sie die Stromstärke durch diese Lampe, wenn ihr Betriebswiderstand60ς ist.

5.3 Wie groß ist beim Betrieb der Lampe die Stromstärke auf der Primärseite?

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6.0 Von einer Halbleiterdiode wurde ihre Kennlinie in Durchlassrichtung aufgenommen.Es ergaben sich folgende Messwerte:

U in V 0 0,20 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,80 0,90I in mA 0 0 0,07 0,5 3,2 6,6 13,5 54,5 102,5

6.1 Zeichnen Sie die I - U- Kennlinie der Diode und markieren Sie die Stelle derSchleusenspannung.

6.2 Zeichnen Sie eine Messschaltung zur Aufnahme der HL-Diode (ohneSchutzwiderstand).

6.3 Berechnen Sie jeweils den Widerstandswert der HL-Diode bei den Spannungen1U 0,50 V< und 2U 0,80 V< .

6.4 Warum wird der Widerstand der HL-Diode wesentlich kleiner, sobald die angelegteSpannung den Wert der Schleusenspannung überschreitet?

6.5 Nennen Sie zwei Anwendungsbeispiele für Halbleiterdioden.

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Generator, Transformator, Halbleiter

1.1 Zeichnen Sie das Feldlinienbild einerstromdurchflossenen Spule.Wie verlaufen die Feldlinien imInneren und außerhalb der Spule?

1.2 Geben Sie eine Regel an, mit der dieRichtung des Magnetfeldes einer strom-durchflossenen Spule in Abhängigkeit vonder Stromrichtung bestimmt werden kann.

1.3 Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes der Spule ab?

2. Versuch:Auf einem sehr leicht beweglichen Wagen ist ein Stabmagnet mit starkem Magnet-feld montiert. Dicht am Stabmagnet liegt eine Spule mit geschlossenem Stromkreis.Spulenachse und Achse des Magneten fluchten.Beschreiben Sie die möglichenBeobachtungen beim raschenEntfernen des Stabmagnetenunter Verwendung physika-lischer Fachbegriffe undRegeln.

3.0 An eine Gleichspannungsquelle sind zweiGlühlämpchen E1 und E2 parallel geschaltet.In Reihe mit E2 befindet sich eine Spule mithoher Windungszahl und geschlossenemEisenkern. In Reihe mit E1 liegt ein regel-barer Widerstand.Der Widerstand wird so eingestellt, dass beigeschlossenem Schalter S beide Lämpchengleich hell leuchten.Zu Beginn des Versuchs ist der Schalter offen.

3.1 Der Schalter S wird geschlossen. Welche Beobachtungen kann man an denLämpchen machen?

3.2 Der Schalter S wird geöffnet. Was können Sie an den Lämpchen beobachten?3.3 Erklären Sie jeweils ihre Beobachtungen.

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4. Die Skizze rechts stellt denschematischen Aufbau einesGenerators dar.Um welche Art von Generatorhandelt es sich?Benennen Sie die Bauteile 1 bis 5.

5.0 Ein Kraftwerksgenerator gibt eine Leistung von 80 MW ab. Die Spannung desGenerators wird durch einen Transformator (Wirkungsgrad 93%) auf 240 kVhochtransformiert. Die elektrische Energie wird in eine Fernleitung mit einemGesamtwiderstand von 45 ς eingespeist.

5.1 Berechnen Sie die vom Transformator abgegebene Leistung.5.2 Berechnen Sie die Stromstärke auf der Sekundärseite des Trafos.5.3 Berechnen Sie die elektrische Leistung, die am Ende der Fernleitung noch zur

Verfügung steht.

6.0 Thema: Halbleiter6.1 Was sind Halbleiter?6.2 Nennen Sie zwei Halbleitermaterialien.6.3 Nennen Sie zwei wesentliche Eigenschaften von Halbleitermaterialien.6.4 Was bedeutet der Begriff „Dotieren“?6.5 Was sind Donatoren, was sind Akzeptoren?6.6 Was versteht man bei Halbleitern unter n-Dotierung und p-Dotierung?6.7 Wie ist eine Halbleiterdiode aufgebaut?6.8 Was versteht man beim Halbleiter unter dem p-n-Übergang?6.9 Was passiert in der Grenzschicht (p-n-Übergang) nach dem Zusammenfügen eines

p- und n-Leiters (ohne Anlegen einer Spannung)?

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1.0 Beantworten Sie jeweils kurz (in einem Satz) folgende Fragen:1.1 Was kann an den Enden eines Leiters entstehen, wenn er im Magnetfeld bewegt

wird und wie muss der Leiter dafür bewegt werden?1.2 Wann fließt in einem Leiterkreis ein Induktionsstrom?1.3 Gibt es Abhängigkeiten für die Polung der Induktionsspannung und die Richtung des

Induktionsstroms?1.4 Welche Größen beeinflussen die Wirkung der elektromagnetischen Induktion in

einem geraden Leiterstück?1.5 Wie nennt man die Kraft, die für das Auftreten der elektromagnetischen Induktion

beim bewegten Leiter im Magnetfeld ursächlich ist?1.6 Je stärker die Lorentzkraft, desto höher die Induktionsspannung. Was beeinflusst

die Stärke der Lorentzkraft?1.7 Wann wird in einer Induktionsspule eine elektrische Spannung induziert?1.8 Die Regel von Lenz ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes. Was besagt sie?1.9 Nennen Sie drei technische Anwendungsbeispiele, bei denen die

elektromagnetische Induktion einen wichtigen Anteil hat.

2. Welche Energieform wird bei einem Fahrraddynamo in welche andere Energieformumgewandelt?

3.1 Erklären Sie kurz die Funktion einer Wirbelstrombremse am Beispiel Schienen-fahrzeug.

3.2 Welchen Vorteil hat eine Wirbelstrombremse gegenüber der klassischen Reibungs-bremse?

4.0 Die Generatoren eines E-Werks geben bei einer Spannung von 12,5 kV dieelektrische Leistung 6,5 MW ab. Durch einen Transformator ( Trafo 0,92γ < ) wird dieSpannung auf 125 kV hochtransformiert. Der Gesamtwiderstand der Fernleitung biszum Umspannwerk beträgt 80 ς .

4.1 Erstellen Sie eine Schaltskizze und berechnen Sie die Stromstärke im Primär- undim Sekundärkreis.

4.2 Berechnen Sie die Verlustleistung VerlustP in der Fernleitung.

4.3 Berechnen Sie den Wirkungsgrad gesγ der gesamten Energieübertragung.

4.4 Um welche Art handelt es sich beim Kraftwerks-Transformator?4.5 Begründen Sie, warum es von Vorteil ist, die Energie mit einer hohen Spannung zu

übertragen.

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5. Die beiden Lampen E1 und E2 habenfolgende Betriebsdaten: 2,8 V / 0,1 A .Welche der Lampen leuchtet im Stromkreis?Kreuzen Sie die richtige Antwort an.

nur E1 nur E2

E1 und E2 keine Lampe

6.0 Die LED (Light-Emitting Diode) ist ein Halbleiter-Bauteil,das bei Stromfluss Licht aussendet.

6.1 Eine blaue LED hat die Betriebsdaten: U 3,6 V< / I 20 mA< .Berechnen Sie die Leistungsaufnahme der LED und ihrenelektrischen Widerstand, wenn sie mit den angegebenenDaten betrieben wird.

6.2 Was ist bei der Schaltung einer LED im Stromkreis zu beachten?6.3 Nennen Sie zwei Vorteile von LED-Lampen gegenüber konventionellen

Glühlampen.

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator, Generator, Halbleiter

1. Ein Stabmagnet fällt durch die mit einem Strommessgerätkurzgeschlossene Spule. Kreuzen Sie alle richtigen Aussagen an.

Durch das Messgerät fließt ein Strom.Durch das Messgerät fließt kein Strom.Der Magnet wird in der Spule abgebremst.Der Magnet wird in der Spule nicht abgebremst.

Welche Aussagen über die Stromrichtung und das magnetischeVerhalten der Spule beim Durchfallen des Magneten sind richtig?

Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magnetenein Südpol.

Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magnetenein Nordpol.

Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom vonA nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A.

Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom vonA nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A.

2.0 Eine massive Platte aus Aluminium ist auf einem Wagen aus Kunststoff befestigtund bewegt sich nahezu reibungsfrei eine schiefe Ebene hinab. Ein starkes,homogenes Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Aluplatte verlaufen, liegt inFahrtrichtung des Wagens.

2.1 Beschreiben Sie das Verhalten des Wagens, wenn sich die Platte durch dasMagnetfeld bewegt im Bereich der Positionen A (Eintritt ins Magnetfeld), B (imMagnetfeld) und C (Austritt aus dem Magnetfeld).

2.2 Geben Sie jeweils eine kurze Begründung an für das Verhalten des Wagens imBereich der Positionen A und B.

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3.1 Aus welchen beiden Hauptteilen besteht ein Wechselstromgenerator?3.2 Beschreiben Sie stichwortartig (in einer Tabelle) die wesentlichen Unterschiede im

Aufbau von Innenpol- und Außenpolgeneratoren.3.3 Jeder Generator wandelt mechanische Energie in Strom und in (unerwünschte)

Wärme um. Durch welche Vorgänge im Generator entsteht die Wärme?

4. Von einer alten Laborspannungsquelle ist zunächst nur bekannt, dass sie eineSpannung von 24 V abgibt. Wie kann mithilfe eines Drahtstücks (ca. 2m lang), einerLampe (24 V / 3 W) und eines größeren Eisennagels festgestellt werden, ob Gleich-oder Wechselspannung abgegeben wird?Erstellen Sie eine Schaltskizze und begründen Sie stichhaltig.

5. Max will eine Lichterkette für seinen Weihnachtsbaum selbst herstellen. Dafür kaufter sich eine Rolle Draht und 30 farbige LEDs. Die schließt er alle in Parallel-schaltung an einen regelbaren Eisenbahn-Trafo (liefert Gleichspannung) an. Obwohldie LEDs nicht defekt sind, leuchtet nur ungefähr die Hälfte der LEDs, der Restbleibt dunkel. Was könnte die Ursache dafür sein, dass nicht alle LEDs leuchten?

6.0 Wechselspannung soll mithilfe einerGraetz-Schaltung (auch Zweipuls-Brückenschaltung genannt)gleichgerichtet werden.Die vier Halbleiterdioden R1 bis R4sorgen dafür, dass die Stromrichtungdurch den Widerstand RL immer gleichbleibt, obwohl die Schaltung an einerWechselspannung betrieben wird.

6.1 Markieren Sie jeweils den Strompfad für die positive und die negative Halbwelle amSchaltungseingang mit einem Farbstift / Marker.(Technische Stromrichtung ∗ ↑ , )

6.2 Erstellen Sie ein qualitatives (prinzipielles) Stromstärke-Zeit -Diagramm für dieSchaltung. Welche Vorteile hat die Graetz-Schaltung gegenüber der Einweg-gleichrichtung?

6.3 Welche Spannung liegt am Widerstand RL an, wenn die Schleusenspannung(auch Schwellenspannung genannt) der Silizium-Dioden jeweils 0,7 V beträgtund die Elektrizitätsquelle eine Spannung von 8 V zur Verfügung stellt?

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1.0 Mit einem starken Dauermagnet und einer Spule mit hoher Windungszahl werdenverschiedene Versuche durchgeführt.

1.1 Versuch 1:Der Magnet wird rasch bis zu derfeststehenden Spule herangeführt.Was geschieht in der Spule währendder Annäherung des Magneten?

1.2 Versuch 2:Nun werden die Anschlüsse derSpule mit einem dicken Drahtverbunden (kurzgeschlossen) undder Versuch 1 wiederholt.Was passiert nun in der Spule?Wenden Sie dabei die LenzscheRegel an.

1.3 Versuch 3:Die Spule ist über ein hochohmigesVoltmeter kurzgeschlossen und anzwei Kunststofffäden so aufgehängt,dass sie frei pendeln könnte.

Was kann man beobachten, wenn sich♣ der Magnet zur Spule hinbewegt♣ der Magnet von der Spule entfernt

(ohne die Spule jeweils zu berühren)?

2.1 Beschriften Sie die drei Finger entsprechend der „3-Finger-Regel der linken Hand“bei einem Induktionsvorgang (Leiterbewegung im Magnetfeld).

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2.2 Die Leiterschaukel in nebenstehendemBild wird von Hand nach außen bewegt.Zeichnen Sie die beiden fehlendenPfeilspitzen bei 2. und 3. ein undgeben Sie an, was die Pfeile bedeuten.1.

2.

3.

Wie wird die „3-Finger-Regel der linken Hand“ noch genannt?

3.0 Eine Spule (n 800< ) die über ein Strom-messgerät (niederohmig und mittige Null-stellung) kurzgeschlossen ist, liegt auf einerFeinwaage mit Digitalanzeige (vgl. Skizze).

3.1 Ein Stabmagnet wird mit seinem Südpolzügig in das Innere der Spule bewegt,ohne dabei die Spule zu berühren.Was kann man beobachten?

3.2 Der Stabmagnet wird nun zügig aus derSpule herausgezogen, ohne dabei dieSpule zu berühren.Was kann man beobachten?

3.3 Begründen Sie Ihre Beobachtungen aus3.1 und 3.2 (Lenzsche Regel)

4.0 Ein Transformator soll zum Schmelzen eines dünnen Eisennagels eingesetztwerden. Verwendet wird ein Hochstromtransformator mit einer Sekundärwicklungaus massivem, dickem Kupferdraht und folgenden technischen Daten:

P S P Pn 800; n 5; U 230 V; I 4,0 A< < < <

4.1 Erstellen Sie eine Skizze des Trafos und berechnen Sie die Stromstärke durch denNagel unter der Annahme, dass der Trafo verlustfrei arbeitet.

4.2 Warum ist der Primärstrom kurz nach dem Einschalten höher als 4,0 A?4.3 Warum schmilzt nur der Nagel und nicht auch die Spule?4.4 Berechnen Sie die Sekundärstromstärke, bei 15% Leistungsverlust des Trafos.4.5 Der schlaue Max möchte die Primärspule an 460 V Gleichspannung anschließen,

damit der Nagel schneller schmilzt. Ist diese höhere Spannung der Primärseitegleichbedeutend mit einer entsprechend höheren Stromstärke der Sekundärseite?

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5.0 In einem Experiment wurde für eine LED (Leuchtdiode) die Stromstärke I unterverschiedenen Spannungen U gemessen. Man erhielt folgende Messwerte:

U in V 0 0,20 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85I in mA 0 0 0,1 0,9 3,8 8,1 17,5 35,7 71,5 140

5.1 Zeichnen Sie zu diesem Experiment eine Schaltskizze (ohne Schutzwiderstand).

5.2 Stellen Sie die Messwerte grafisch dar.

5.3 Welchen elektrischen Widerstand hat die LED bei einer Spannung von 0,8 V?

5.4 LEDs wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um. Sie sind ähnlich wieHalbleiterdioden, aus einer p - und einer n -Halbleiterschicht aufgebaut.Beschreiben Sie die Vorgänge in der Grenzschicht (ladungsträgerarme Zone)nach dem Zusammenfügen der p - und n -dotierten Halbleiterschichten.

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator, el. Leistung und Arbeit

1.0 Eine Spule mit hoher Windungszahl wirdauf den Schenkel eines U-förmigen Eisen-kerns geschoben (vgl. Skizze).Die Spule ist mit einem empfindlichenStrommessgerät, einem Schalter undeiner Gleichspannungsquelle in Reihegeschaltet.

1.1 Was kann man beobachten, wenn beiabgehobenem Joch der Schaltergeschlossen wird? Begründung!

1.2 Was kann man beobachten, wenn beigeschlossenem Schalter das Joch auf-gelegt wird? Begründung!

1.3 Das Joch ist nun aufgelegt und statt der Gleichspannung wird jetzt eine gleich großeWechselspannung eingespeist. Was kann man beobachten? Begründung!

2.0 Torben möchte sich einen Transformator selbst bauen, der eine Wechselspannungvon 1,6 kV zur Verfügung stellen kann. Der Strom im Sekundärkreis soll 65,0 mAbetragen. Der Wirkungsgrad des Transformators wird mit 80% angenommen.

2.1 Wie groß ist die Energie, die dem Haushaltsstromnetz (230 V) entnommen wird,wenn der Trafo bei den in 2.0 genannten Bedingungen 5,0 Minuten in Betrieb ist?Berechnen Sie die Stromstärke im Primärkreis.

2.2 Der Wirkungsgrad des Transformators wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.Nennen Sie vier Ursachen und die dazu gehörenden Abhilfemaßnahmen(tabellarisch in Kurzform).

3.0 Auf einer schiefen Ebene aus Kunststoffist in einem Teilbereich eine Aluminium-platte angebracht worden.Zwei gleich starke und gleich schwereMagnete starten gleichzeitig vonderselben Höhe aus.Die Gleitreibung ist für beide Fälle alsgleich anzunehmen.

3.1 Was kann man beobachten?Begründen Sie Ihre Antwort.

3.2 Welchen Einfluss hätte es, wennstatt der Aluminiumplatte eine ausreinem Kupfer verwendet würde?

3.3 Nennen Sie eine technische Anwendung dieses physikalischen Prinzips.

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4.0 Eine Versuchsanordnung nach neben-stehender Schaltskizze sei gegeben.Die Elektrizitätsquelle liefert eine Gleich-spannung von 9 V, die Betriebsdatender beiden Lämpchen E1 und E2 sindjeweils 6 V / 2,4 W .Der Widerstand wurde bei anliegenderGleichspannung (und geschlossenemSchalter) so eingestellt, dass beideLämpchen mit ihren Nenndaten betriebenwerden. Die Spule besitzt einen Eisenkern, der entfernt werden kann.

4.1 Berechnen Sie die Größe des veränderbaren Widerstands und geben Sie denWiderstand der Spule an.

4.2 Welche Beobachtung macht man, nachdem der Schalter geschlossen wurde?Geben Sie eine Erklärung für diese Beobachtung.

4.3 Stellen Sie für den Einschaltvorgang aus 4.2 die Stromstärke in der Spule inAbhängigkeit von der Zeit dar (qualitatives I - t - Diagramm).

4.4 Aus der Spule wird nun der Eisenkern entfernt und dann der Schalter geschlossen.Welche Beobachtung macht man nach dem Schließen des Schalters?Zeichnen Sie in das Diagramm zu 4.3 den Stromstärkeverlauf (qualitativ) ein.

4.5 Der Versuch aus 4.0 wird nun mit einem Transformator (9 V / 50 Hz) alsSpannungsquelle durchgeführt. Welche Beobachtung am Lämpchen E1 macht mannach dem Schließen des Schalters?Geben Sie eine Erklärung für diese Beobachtung.

5.0 Ein Wasserkocher trägt auf seinem Typenschild folgende Angaben: 230 V / 1800 W.

5.1 Welcher Strom fließt durch die Heizwendel des Wasserkochers, und wie groß ist derelektr. Widerstand, wenn der Wasserkocher an eine Haushaltssteckdose (230 V)angeschlossen wird ?

5.2 Parallel zum Wasserkocher wird ein Bügeleisen angeschlossen.Der Gesamtstrom für beide Geräte beträgt nun 12 A.Wie groß sind der elektr. Widerstand und die Leistungsaufnahme des Bügeleisens?

5.3 Der Wasserkocher ist 6 min, das Bügeleisen 90 min in Betrieb.Wie hoch sind die Kosten, wenn pro kWh 30 Cent zu bezahlen sind?

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1.0 Eine Spule enthält einen Weicheisenkernund ist über ein empfindliches Strommess-gerät kurz geschlossen.Welche Beobachtungen kann man amStrommessgerät machen …

1.1 … während sich der Hufeisenmagnetmit konstanter Geschwindigkeit derSpule nähert?

1.2 … solange der Hufeisenmagnet amWeicheisenkern anliegt?

1.3 … beim Abziehen des Hufeisenmagnetenvom Weicheisenkern?Begründen Sie jeweils Ihre Antworten.

2.0 Auf einem nahezu reibungsfrei rollenden Laborwagen ist eine Spule befestigt. IhreWicklungsenden sind miteinander verbunden (sie ist also kurzgeschlossen).

2.1 Der Wagen wird von Hand schnell auf einen ortsfesten Hufeisenmagneten zubewegtund über den freien Schenkel geschoben. Formulieren Sie Ihre Beobachtungen beidiesem Versuch (mit Begründungen).

2.2 Welche Energieumwandlungen finden während der Annäherung der Spule an denMagneten statt?

2.3 Nachdem sich die Spule über dem Schenkel des Hufeisenmagneten befindet, wirdsie (aus der Ruhe) in die entgegengesetzte Richtung bewegt und in ihre altePosition zurück geschoben. Beschreiben und erklären Sie, was dabei passiert.

2.4 Was würde sich ändern, wenn bei den Versuchen in Abschnitt 2.0 und 2.2 jeweilsder Schalter S geöffnet wäre?

2.5 Welche Änderungen beim Versuchsaufbau oder der Versuchsdurchführung könntenzu einer höheren Induktionsspannung führen? Geben Sie drei Möglichkeiten an.

2.6 Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Annähern der Spule an den Magnetenein Nordpol? Begründung angeben!Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Trennen von Spule und Magnet einSüdpol? Begründung angeben!

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3.0 Ein geschlossener Ring aus Aluminium ist anzwei langen Fäden aufgehängt. Nun wird ein weit entfernter Stabmagnet zügigbis zum Ring geschoben; der Magnet bewegtsich danach nicht mehr.

3.1 Beschreiben Sie ausführlich was geschieht.3.2 Erklären Sie die Beobachtung und begründen

Sie eine Bewegung des Alu-Rings mithilfeeiner zutreffenden physikalischen Regel.

3.3 Was würde passieren, wenn der Ring ausKupfer anstatt aus Aluminium wäre?

3.4 Der Ring wird an einer Stelle so durchtrennt, dass ein schmaler Spalt entsteht. Der Versuch aus 3.0 wird nun wiederholt.Beschreiben und erklären Sie kurz, was bei jetzt beobachtet werden kann.

4.0 Ein Schweißtransformator wird an 230 V Netzspannung betrieben. Der Primärstromliegt bei 10,4 A und die Sekundärspannung bei 16 V. Der Transformator hat einenWirkungsgrad von 82%.

4.1 Wie groß ist die Sekundärstromstärke?4.2 Wie hoch sind die Betriebskosten (nur elektr. Strom), wenn das Schweißgerät 2 h in

Betrieb ist. Die Kilowattstunde wird mit 0,30 EUR veranschlagt.4.3 Welche Art von Transformator wird zum Schweißen verwendet?

Welchen Einfluss hat dies auf die Windungszahlen?

5.0 Für den Betrieb einer Leuchtdiode wird ein Vorwiderstand benötigt. Die Stromstärkedurch die Leuchtdiode soll 25 mA und die Spannung soll 18 V betragen.

5.1 Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand.5.2 Im Einsatz fällt an der Leuchtdiode eine Spannung von 2,5 V ab. Berechnen Sie die

umgesetzte elektrische Leistung im Betriebszustand.

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Arbeit, Leistung, Halbleiter

1.0 Eine stromdurchflossene Leiterschaukel befindet sich in einem Magnetfeld.1.1 Zeichnen Sie jeweils die Kraftrichtung auf den Leiter ein.

1.2 Kennzeichnen Sie Nord- und Südpol 1.3 In welche Richtung fließt derdes Magneten. Strom? Geben Sie auch den

Plus- und Minuspol an.

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2.0 Bei der Bewegung eines geraden Kupferdrahtessenkrecht zu den Feldlinien eines homogenenMagnetfeldes (siehe nebenstehende Skizze)entsteht im Draht eine Induktionsspannung.

2.1 Nennen Sie die Größen, von denen dieInduktionsspannung abhängt und geben Siejeweils diese Abhängigkeit an.

2.2 Formulieren Sie die UVW-Regel für den vorlie-genden Fall und geben Sie die Polung derInduktionsspannung an den Enden A und B desKupferdrahtes an.

2.3 Erklären Sie die Entstehung der Induktions-spannung.

3.0 Zwischen den Polschuhen eines hufeisenförmigen Elektromagneten pendelt beigeöffnetem Stromkreis eine massive Kupferplatte.

3.1 Was beobachtet man nach dem Schließen des Stromkreises?Welche Änderung muss man an der Platte vornehmen, damit die beschriebeneBeobachtung nicht auftritt? Begründen Sie die Wirksamkeit dieser Änderung.

3.2 Nennen Sie die Voraussetzung für das Auftreten von Wirbelströmen.Geben Sie jeweils ein technisches Geräteteil an, bei dem Wirbelströmea) erwünscht b) unerwünschtsind.

4.1 Eine amerikanische Glühlampe (110 V / 60 W) soll mit einem Vorwiderstand Rv andas Haushaltsnetz (230 V) angeschlossen werden. Zeichnen Sie das Schaltbild undberechnen Sie den Vorwiderstand.

4.2 Berechnen Sie die Leistung, die dem Netz entnommen wird und den Wirkungsgradder Schaltung.

4.3 Die Glühlampe wird nun mit Hilfe eines Transformators, dessen Primärspule andas Netz (230 V) angeschlossen ist, betrieben. Zeichnen Sie das Schaltbild undberechnen Sie die Primärleistung des Transformators, wenn dieser denWirkungsgrad 0,88γ < besitzt.

4.4 Wodurch entstehen Verluste beim Betrieb► mit dem Vorwiderstand?► mit dem Transformator?

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5. Eine Schaltung, die mit Wechselstrom betrieben wird, enthält 2 Siliziumdioden,2 LEDs und 2 Schalter (vgl. Skizze rechts).Tragen Sie in die leeren Felder der Tabelle Ja oder Nein (richtig) ein.Begründen Sie Ihre Entscheidungen.

S1 S2 E1leuchtet

E2leuchtet

Auf Auf

Auf Zu

Zu Auf

Zu Zu

6. Die schematische Darstellung unten zeigt eine Halbleiterdiode, die in Durchlass-richtung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.Beschriften Sie die Skizze mit der Polung + und - sowie den BezeichnungenAnode und Kathode.Geben Sie die Durchlassrichtung an.Zeichnen Sie auch das Schaltsymbol lagerichtig dazu.

Schaltsymbol:

7. Was bedeutet es, wenn ein Halbleiter dotiert wird?

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Thema: Elektrizitätslehre II – Induktion, Transformator, Generator, Halbleiter

1.1 Welche Energieumwandlungen finden statt in einema) Elektromotorb) elektrischen Generatorc) Transformator

1.2 Nennen Sie zu jedem technischen Gerät nach 1.1 zwei Anwendungen.

2. Geben Sie eine Möglichkeit an, wie in einem Leiter elektromagnetische Induktionauftreten kann.Wovon und in welcher Weise hängt die Stärke der induzierten Spannung ab?Geben Sie zwei Beispiele an.

3. Formulieren Sie die Regel von Lenz

4.1 Was besagt das Induktionsgesetz für eine Spule?4.2 Wie kann die Induktionsspannung in einer Spule erhöht werden? Nennen Sie

zwei Möglichkeiten.

5. Für einen Versuch sind auf einem Weicheisenkern zwei Spulen - Feldspule A undInduktionsspule B - angeordnet (vgl. Skizze). Spule A ist beweglich, Spule B fest-stehend. Der Schiebewiderstand wird so eingestellt, dass bei geschlossenemSchalter S der maximale Strom fließt.a) Warum wird am Messgerät eine Spannung angezeigt, sobald man (bei

geschlossenem Schalter) den Widerstand vergrößert?b) Nennen Sie zwei Möglichkeiten der Erzeugung einer Induktionsspannung in Spule B. Begründen Sie Ihre Vorschläge.c) Wie kann in der Induktionsspule B eine möglichst hohe Spannung induziert

werden?

Realschule



6.0 Ein kleiner Transformator gibt eine Wechselspannung von maximal 12 V bei 2,0 Aab. Seine Primärwicklung hat 650 Windungen. Der Trafo wird an das Haushaltsnetz(230 V) angeschlossen.

6.1 Berechnen Sie die Windungszahl auf der Sekundärseite des Trafos.

6.2 Wie groß ist die Stromstärke auf der Primärseite, wenn der Trafo einen Wirkungs-grad von 80% hat?

6.3 Wodurch wird der Wirkungsgrad eines Transformators verringert?

7.0 Die nachfolgende Tabelle enthält Messwerte, die an einer Silizium-Gleichrichter-diode (ähnlich 1N4005) ermittelt wurden. Für die Messungen wurde die Diode inDurchlassrichtung und zusammen mit einem Schutzwiderstand in Reihe geschaltet.Schrittweise erhöhte man die Spannung U und notierte dabei die Stromstärke I.Die Spannung wurde direkt an der Diode gemessen.

U in V 0 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,70 0,75 0,77

I in mA 0 0,0 0,0 0,2 1,3 8,7 21 48 107 146

7.1 Fertigen Sie zu diesen Messungen einen Schaltplan an.

7.2 Wie groß ist in etwa die Schleusenspannung (nur Abschätzung)?

7.3 Wie groß ist der minimale und wie groß ist der maximale Widerstand der Diode,wenn die Tabellenwerte zugrunde gelegt werden?

7.4 Zeichnen Sie die I -U-Kennlinie.

Realschule 2. Physikschulaufgabe · Die Wirkung der Induktion wird beim Elektromotor, Generator,...

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