Anke Ganzer Physik kompetenz- orientiert: … · Warum sind Wirbelströme oft eine unerwünschte Begleiterscheinung? Was haben Tachos, Kochplatten und Straßenbahnen gemeinsam? …

Anke Ganzer

Physik kompetenz-orientiert:Elektrizitätslehre 5

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Anke Ganzer

Physik III – kompetenzorientierte Aufgaben

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Optik, Mechanik, Elektrizitätslehre, Atomphysik,Schwingungen und Wellen

Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im eigenen Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen schulweiten Einsatz und Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte (einschließlich aber nicht beschränkt auf Kollegen), für die Veröffentlichung im Internet oder in (Schul-)Intranets oder einen weiteren kommerziellen Gebrauch. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfolgt.

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1Anke Ganzer: Physik kompetenzorientiert: Elektrizitätslehre 5

© Persen Verlag

Elektrizitätslehre 5

Dauermagnete und Elektromagnete

1. Vervollständige.

Magnetische Felder entstehen um ____ ________________ oder um

________________________. Wir können es nachweisen durch Kraftwirkungen auf

_ _ __________. Alle Magnetfelder haben einen ________ und einen

_______ Pol. Abstoßungskräfte wirken zwischen ____ ______________ oder

____ ______________.

2. Ordne zu und verbinde.

Dauermagnete

Elektromagnete

Im Raum um den Magneten entsteht ein magnetisches Feld.

sind Stabmagnete.

Die Anziehungskraft kann man ausschalten.

Die Anziehungskraft ist konstant.

sind stromdurchfl ossene Leiter und Spulen.

Ferromagnetische Körper werden angezogen.

3. Marco experimentiert mit Elektro- und Dauermagneten. Er streut auf eine über dem Magneten befindliche Glasplatte Eisenspäne. Zeichne, wie sich die Eisenspäne an-ordnen.

a) b) c)

d) Marco hat das Experiment ausgewertet und folgende Schussfolgerungen gezogen. Kreuze seine richtigen Schlussfolgerungen an.

� An den Polen ist die Anziehungskraft am größten. � Die Eisenspäne verteilen sich um den Stabmagneten und den stromdurchflossen Leiter in der gleichen Weise. � Die Eisenspäne verteilen sich am Nord- und Südpol gleich. � Die Eisenspäne stellen das Magnetfeld vollständig dar. � Die Anordnung der Eisenspäne verläuft symmetrisch.

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2. Beschreibe wie und durch welche besondere Eigenschaft der Elektromagnete eine Drehung zustande kommt. Erläutere dabei auch die Aufgabe des Kommutators.

3. Lukas hat gelernt, dass größere Elektromotoren einen Wirkungsgrad bis zu 98 % erreichen. Erkläre diese Aussage.

4. Elektromotoren sollen zukünftig auch in Autos eingesetzt werden. Vergleiche die Motoren und vervollständige die Tabelle.

Vorteile Nachteile

Elektromotoren

Benzin- und Dieselmotoren

Der Elektromotor

1. Das Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Elektromotors. Beschrifte die einzel-nen Bauteile und ergänze die Energieumwandlung.

Rotor

Stator

Kohlebürsten

Kommutator

Anschlussklemmen

Energieumwandlung des Elektromotors:

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Die elektromagnetische Induktion

1. Martin hat gelernt, dass die Größe der induzierten Spannung von der Windungs-anzahl der Spule, dem Eisenkern, der Stärke des Magneten und der Schnelligkeit der Bewegung des Magneten abhängt.

Er soll seiner Klasse in einem Vergleichsexperiment mit zwei verschiedenen Spulen vor-führen, dass in Spulen mit einer geringeren Anzahl von Windungen kleinere Spannungen induziert werden, als in Spulen mit einer größeren Anzahl von Windungen. Es stehen ihm folgende Spulen zur Verfügung.

Windungen EisenkernBewegungen des Magneten

in 1 SekundeSpule (1) 500 ohne 2 × auf und ab

Spule (2) 1 000 ohne 1 × auf und ab


Spule (4) 1 000 mit 2 × auf und ab

Welche zwei Spulenanordnungen muss Martin auswählen? Begründe deine Antwort.

Welche Spulen muss Martin auswählen, um die induzierte Spannung noch zu erhöhen?

2. Nach dem Experiment von Martin behauptet Maxi, er kann in einer Spule auch eine Spannung erzeugen ohne den Magneten zu bewegen.

Wie könnte er das machen?

3. Daraufhin baut Lucas folgendes Experiment auf und sagt: „Seht, es geht auch ganz ohne einen Dauermagneten!“

Damit in der Spule 2 eine Spannung induziert wird, muss: � … der Stromkreis mit Spule 1 geschlossen sein. � … der Schalter immer wieder geöffnet und geschlossen

werden. � … im Stromkreis mit Spule 1 Wechselstrom fließen. � … ein gemeinsamer Eisenkern in den Spulen sein.

4. Vergleiche die Energieumwandlungen:

Experiment von Martin:

Experiment von Lucas:

Spule 1

Spule 2

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Die Lenz’sche Regel


Die nach dem deutsch-baltischen Physiker benannte Lenz’sche Regel besagt, dass der

_______________________ stets so gerichtet ist, dass er der Ursache seiner Entstehung

_______________________. Die dabei entstehenden Kräfte werden zum Beispiel bei

__________________________ genutzt.

2. Ein Dauermagnet nähert sich bzw. entfernt sich von einem Aluminiumring. Zeichne die Bewegung des Ringes ein. Begründe.

3. Dustin lässt auf einer geneigten Ebene, die auf der linken Hälfte aus Holz und der rechten Hälfte aus Aluminium besteht, gleichzeitig zwei Magnete heruntergleiten. Der Magnet auf der Aluminiumhälfte kommt stets später unten an. Warum?

4. Die durch die Induktion entstehenden Kräfte werden zum Beispiel in Schienen-fahrzeugen als Bremsen benutzt. Dabei werden Elektromagneten im Fahrzeug angeschaltet. So baut sich ein Magnetfeld auf, welches in den Schienen Ströme induziert. Sie wirken der Bewegung entgegen, das Fahrzeug bremst. In Straßen-bahnen befinden sich die Elektromagneten in Kästen, die sich beim Bremsen absenken – du kannst es beim Anhalten einer Straßenbahn beobachten.

a) Wie funktioniert eine Bremse in Schienenfahrzeugen? Fertige eine Zeichnung an.

b) Welche Vorteile haben sie gegenüber Bremsen, die auf Reibung basieren?

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1. Was sind Wirbelströme? Wo entstehen sie? Markiere die Antwort im Text.

2. Welche zwei Wirkungen haben Wirbelströme? Ordne die Anwendungen zu.

3. Skizziere den Induktionsstrom in einem geraden Leiter und in einer Metallplatte, die sich in einem veränderlichen Magnetfeld befinden.

4. Warum sind Wirbelströme oft eine unerwünschte Begleiterscheinung?

Was haben Tachos, Kochplatten und Straßenbahnen gemeinsam?

Betreibt man eine Spule mit einem Eisenkern mit Wechselstrom, erwärmt sich der Eisen-kern nach kurzer Zeit so stark, dass man ihn nicht mehr anfassen kann. Warum ist das so?Befi nden sich elektrische Leiter in einem verän-derlichen Magnetfeld, wird in ihnen ein elektri-scher Strom induziert – das sagt das Indukti-onsgesetz aus. Dieser Effekt basiert darauf, dass die Elektronen im Leiter auf das Magnet-feld reagieren und sich bewegen. In dünnen Leitern, wie beispielsweise dem Draht einer Spule, bewegen sie sich alle in eine Richtung. Der Strom fl ießt entlang des Drahtes. Was aber passiert, wenn der Leiter mehr Raum umfasst, es sich also um einen kom-pakten Körper oder um eine Fläche handelt? In diesem Fall sind die Ströme, die durch die Bewegung der Magneten in der Nähe des Lei-ters induziert werden, alle unterschiedlich ge-richtet. Es entstehen viele kleine Ströme. Sie erscheinen als turbulent verändernde Wirbel und werden Wirbelströme genannt. Der Wirbelstromeffekt in massiven Metallkör-pern hat einige Auswirkungen. Zum einen wird

ein Teil des Stroms in Wärme umgesetzt und an die Umgebung abgegeben. Zum anderen entsteht durch die Wirbelströme eine Kraft, die laut der Lenz’schen Regel entgegenge-setzt zur Bewegung des Magneten wirkt.Sowohl die Wärme als auch die Kraft, die im Zusammenhang mit Wirbelströmen auftreten, werden praktisch genutzt. Zum Beispiel wer-den in der Herdplatte von Induktionsherden Spulen betrieben. Beim Härten von metalli-schen Bauteilen wie Kurbelwellen kommt die Induktion zum Einsatz. Im Tachometer wird die Kraftwirkung genutzt und die vielleicht wichtigste Anwendung ist die Wirbelstrom-bremse. In der Industrie und Technik haben die Wirbel-ströme oft negative Auswirkungen. Um sie zu verhindern, nimmt man den Bauteilen die Kompaktheit und benutzt Eisenkerne, die aus vielen gegeneinander isolierten, zusammen-genieteten Metallplatten bestehen. So wird der Eisenkern nicht heiß und man kann sich nicht die Finger verbrennen.

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2. Marie stellt fest, dass die Lampe heller leuchtet, wenn sie schneller in die Pedale tritt. Beschreibe mit Hilfe eines Gesetzes die Erzeugung einer Spannung und erkläre die unterschiedliche Helligkeit.

3. Lies folgenden Text und beantworte die Fragen im Heft.

Ohne Strom ist die optimale Versorgung der Patienten in Krankenhäusern nicht zu gewähr-leisten. Bei Stromausfall übernehmen Notstromgeneratoren bei automatischer Aktivierung innerhalb von 10 bis 12 Sekunden die Stromversorgung. Ein Dieselmotor treibt mit 1500 Umdrehungen pro Minute einen Rotor an. Auf dem Rotor befinden sich kleine Spulen, die mit einer kleinen Gleichspannung versorgt werden. Im Stator befinden sich große Spulen. Darin entsteht dann die benötigte Spannung von 220 Volt. Steht die öffentliche Stromver-sorgung wieder zur Verfügung, wird der Generator wieder abgeschaltet.

a) Welche Aufgabe haben die kleinen, mit Gleichspannung versorgten Spulen auf dem Rotor?

b) Erkläre die Stromerzeugung des Notstromgenerators.c) Nenne die Energieumwandlungen.

Der Generator

1. Marie fährt mit ihrem Fahrrad früh zur Schule. Da es noch nicht ganz hell ist, hat sie ihre Lampe angestellt, die von dem Dynamo mit Strom versorgt wird.

a) Beschrifte die einzelnen Bauteile.

Rotor

Stator

Induktionsspule

Dauermagnet

Anschlussklemmen

b) Energieumwandlung des Fahrraddynamos:

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Der Transformator

1. Vervollständige den Lückentext.

Transformatoren bestehen aus einer ______________________, ___________________

und _______________________________ . Als Schaltzeichen des Transformators

verwenden wir_____________. Wir nutzen Transformatoren zum Beispiel

___________________________ und ___________________________.

2. Julia behauptet, dass sie mit einem Transformator eine Gleichspannung von 12 Volt auf eine Gleichspannung von 6 Volt transformieren kann.

Was sagst du dazu? Begründe deine Antwort.

3. In nebenstehender Skizze ist ein Transformator abgebildet.

a) Beschrifte die Spulen, die anliegenden Spannungen und Stromstärken. Formu-liere die Transformatorengesetze für die Spannung und die Stromstärke.

Kurz:

b) Berechne die fehlenden Werte.

N1 N2 U1 in V U2 in V l1 in mA l2 in mA

500 1 000 6 500

750 250 3 600

1 500 8 12 100

3 000 24 150 900

4. Fasse deine Erkenntnisse in folgendem Lückentext zusammen.

Wenn die Primärspule mehr Windungen hat als die Sekundärspule, dann ist die Primär-

spannung _____________ als die Sekundärspannung und die Primärstromstärke

________________ als die Sekundärstromstärke.

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Anwendungen und Berechnungen

1. Für ein Radio wird eine Betriebsspannung von 24 V benötigt. Die Netzspannung von 230 V wird mit einem Transformator verringert. Wie viele Windungen hat die Sekun-därspule, wenn die Primärspule 3000 Windungen hat?

2. Eine Modelleisenbahn wird mit einer Betriebsspannung von ungefähr 16 Volt betrie-ben und deshalb mit einem Transformator an die Netzspannung angeschlossen.

Für den Transformator stehen ein Eisenkern und Spulen mit N = 50; 100; 250; 750; 1 000; 1 500 zur Verfügung.

Gib eine Möglichkeit an, mit welchen Spulen der Transformator gebaut werden kann. Be-gründe deine Entscheidung.

3. Transformatoren werden an verschiedenen Stellen in den Stromnetzen eingesetzt.

a) Vervollständige die entstehenden Spannungen und ordne zu.

380 kV Mittelspannung

Niederspannung

Höchstspannung

Hochspannung

b) Nenne zwei wichtige Stellen im Stromnetz, an denen Transformatoren verwendet wer-den und welche Funktion sie dort haben.

c) Weshalb wird die Spannung des Kraftwerks für den Transport auf eine Höchstspan-nung transformiert? Recherchiere selbstständig.

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Wie der Funke überspringt

Die Entzündung des Benzin-Luft-Gemisches in Ottomotoren erfolgt über Fremdzündung mithilfe der Zündkerze. Doch wie entsteht in der Zündkerze ein Funke?Dazu muss man wissen, dass der Funke genau genommen ein Fun-kenüberschlag ist. Er entsteht bei sehr hohen Spannungen zwischen den Zündkontakten. In einem Ottomotor stellt eine Batterie eine Gleichspannung von 24 V zur Verfügung. Sie ist natürlich für einen Funkenüberschlag viel zu klein. So wird die hohe Spannung erst in einer Zündspule erzeugt, die wie ein Hochspannungstransformator arbeitet. An die Batterie ist die Primärspule mit geringen Windungszah-len und an die Zündkerze die Sekundärspule mit hohen Windungszah-len angeschlossen. Ein Unterbrecher im Primärkreis schaltet diesen ständig ein und aus. Durch das Ausschalten wird in der Sekundärspule eine so hohe Spannung induziert, dass es zu einem Funkenüberschlag kommt.Die Zündkerze gibt genau im Arbeitstakt einen Funken ab, das Benzin-Luft-Gemisch ver-brennt, der Kolben bewegt sich und der Motor läuft.

1. Fertige eine Skizze mit den genannten Bauteilen an und beschrifte sie.

2. Erkläre das Entstehen einer hohen Spannung an der Zündkerze.

3. Warum hat die Primärspule erheblich weniger Windungen als die Sekundärspule?

4. Eine Zündspule ist mit der 12 Volt Autobatterie verbunden und erzeugt eine Hoch-spannung von 20 000 Volt. Wie viele Windungen hat die Sekundärspule, wenn die Primärspule 10 Windungen besitzt?

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Lernzielkontrolle


In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich ___________________________

______________________. Die Größe der induzierten Spannung hängt zum Beispiel von

___________________________________ ab. Der entstehende Induktionsstrom ist stets

so gerichtet, dass er _______________________________________. Die Induktion wird

zum Beispiel bei _______________________________ genutzt.

2. Lina soll ihrer Klasse in einem Vergleichsexperiment mit zwei Spulen zeigen, dass in Spulen mit einem Eisenkern größere Spannungen induziert werden, als in Spulen ohne einen Eisenkern. Es stehen ihr folgende Spulenanordnungen zur Verfügung.

Windungen EisenkernBewegungen des Magneten

in 1 SekundeSpule (1) 1 000 mit 2 × auf und ab



Spule (4) 500 ohne 2 × auf und ab

a) Welche Spulenanordnung muss Lina auswählen? Begründe deine Antwort.

b) Beschreibe ein Experiment, bei dem in einer Spule beim Bewegen eines Magneten kein Strom induziert wird.

3. Wahr oder falsch? Kreuze wahre Aussagen an.

� In einer Spule kann man nur mit Dauermagneten eine Spannung induzieren. � Der Induktionsstrom kann auch verschieden gerichtet sein. � Die Induktion wird bei Elektromotoren genutzt.

4. In Induktionsherden befinden sich Spulen unter den Herdplatten. Weshalb werden die Spulen mit Wechselstrom betrieben und wie kommt es zur Erwärmung des Wassers in dem Topf?

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5. Entscheide, ob die Aussagen richtig oder falsch sind. Wenn du denkst, es handelt sich um eine falsche Aussage, dann schreibe dahinter, wie sie richtig heißen müsste.

Aussage richtig falsch Die Aussage müsste richtig heißen:In Transformatoren wird Bewe-gungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Mit Transformatoren kann man Spannungen und Stromstärken erhöhen oder verringern.

Wird mit einem Transformator die Spannung erhöht, so erhöht sich auch die Stromstärke.

Wird die Primärspule mit einer Gleichspannung betrieben, entsteht in der Sekundärspule auch eine Gleichspannung.

In unbelasteten Transformatoren verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen zueinander.

6. Beschreibe den Aufbau eines Transformators, mit dem man niedrige Spannungen erzeugen kann.

7. Mit einem Transformator wird eine Spannung von 230 V auf 12 V transformiert.

Dafür standen ein Eisenkern und Spulen mit N = 50; 100; 250; 750; 1 000; 1 500 zur Verfü-gung. a) Gib eine geeignete Windungszahl an und begründe durch eine Rechnung.b) Berechne die Stromstärke im Sekundärkreis für eine Primärstromstärke von 100 mA.

c) Wofür könnte der berechnete Transformator verwendet werden?

8. Lukas behauptet, da in Transformatoren im Sekundärstromkreis ohne Spannungs-quelle ein Strom fließt, besteht ein elektrisch leitender Kontakt zum Primärstrom-kreis.

Was sagst du dazu? Begründe deine Aussage.

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Halbleiter


Der in der Technik am häufigsten verwendete Halbleiter ist ______________________. In

kristalliner Form sind die Atome in einem ________________ angeordnet, die ___ Außen-

elektronen gehen jeweils eine __________________ Bindung ein. Die elektrische Leit-

fähigkeit von Halbleitern liegt zwischen ___________________ und ________________.

Sie wird von __________ und _____________ beeinflusst und kann gezielt mit fremden

Atomen erhöht werden. Dieser Vorgang heißt _____________________.

2. Skizziere den Aufbau eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters.

p-dotierter Halbleiter n-dotierter Halbleiter

a) Welche Ladungsträger stehen im p- und n-dotierten Halbleiter jeweils zur Verfügung?

__________________________________ __________________________________

__________________________________ __________________________________

b) Wahr oder falsch? Kreuze wahre Aussagen an. � Im n-dotierten Halbleiter bewegen sich die Elektronen zum Pluspol. � Im p-dotierten Halbleiter bewegen sich die Defektelektronen zum Pluspol. � In Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur der Widerstand zu. � Durch das Dotieren stehen zusätzliche Ladungsträger zur Verfügung.

3. Aus der Kombination von p-Leiter und n-Leiter ergeben sich viele Verwendungsmög-lichkeiten. Zeichne in folgende Abbildungen jeweils die Elektronenbewegung und die Löcherbewegung ein. Was stellst du fest?

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Die Halbleiterdiode

1. Entscheide, ob die Aussagen richtig oder falsch sind. Wenn du denkst, es handelt sich um eine falsche Aussage, dann schreibe dahinter, wie sie richtig heißen müsste.

Aussage richtig falsch Die Aussage müsste richtig heißen:Ein pn-Übergang lässt den elektri-schen Strom stets durch.

Das Silizium, aus dem eine Halb-leiterdiode besteht, ist gezielt verunreinigt.

Solarzellen wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um.

Liegen an Dioden sehr kleine Spannungen an, so ist die Über-windung der Grenzschicht für die Ladungsträger unmöglich.

2. Stefan experimentiert mit einer Halbleiterdiode und baut sie in elektrische Schal-tungen mit einer Lampe unterschiedlich ein.

Schaltung A Schaltung B

a) Wie verhält sich die Lampe in den Schaltungen? Gib die Namen der Schaltungen an.

__________________________________ __________________________________

__________________________________ __________________________________

b) Erkläre das unterschiedliche Verhalten der Lampe in den Schaltungen.

c) Wie verhält sich die Lampe beim Anlegen einer Wechselspannung?

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3. Zeichne Halbleiterdioden so ein, dass beim Anlegen des Pluspols an A die grüne Lampe und beim Anlegen des Minuspols an A die rote Lampe leuchtet.

4. In zwei Experimenten wurden für einen Widerstand und eine Halb-leiterdiode folgende Messreihen aufgenommen und in einem Dia-gramm dargestellt.

Interpretiere das Diagramm und ordne die Bauteile den Kurven zu. Begründe die Zuordnung.

5. Marco hat die Entstehung der elektrischen Energie in Solarzellen auf Zettel ge-schrieben. Bringe sie in die richtige Reihenfolge.

F – Schließt man den Stromkreis zwischen den Kontakten der Schichten, so fl ießt

ein elektrischer Strom.

C – Fast ungehindert durchdringen die

Photonen die dünne n-Schicht.

E – Sonnenlicht dringt in Form von

Photonen in die Solarzelle ein.

B – Die Elektronen werden beweg-

licher.

G – In der p-Schicht geben sie ihre Energie an die Elektronen ab.

D – Die freien Elektro-nen bewegen sich im

elektrischen Feld gerichtet.

A – Die Elektronen entfernen sich von ihrem Atomkern.

A B

rot

grün

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5

10

15

20

25

30

35

40

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U in V

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Wir unterscheiden bei einem Transistor zwei Stromkreise:

den __________________________ (Steuerstromkreis)

und den _________________________ (Arbeitsstrom-

kreis). Liegt nur im ___________________________ eine

Spannung an, so ist der Transistor an einem pn-Übergang gesperrt. Es fließt kein Strom.

Wird im ______________________ eine kleine Spannung angelegt, so wird der pn-Über-

gang in Durchlassrichtung geschaltet und es fließt auch ein __________________.

3. In den Bildern ist ein gesperrter und ein durchgeschalteter Transistor dargestellt. Ordne zu.

a) b)

4. Richtig oder falsch? Kreuze richtige Aussagen an.

� Transistoren werden als Verstärker verwendet. � Transistoren werden als Gleichrichter verwendet. � Transistoren werden als Fotowiderstände genutzt. � Transistoren werden als Schalter eingesetzt.

5. Zusammenfassung:

Der _________________stromkreis steuert den _______________stromkreis.

Mit einem _________ Basisstrom kann man einen __________ Kollektorstrom steuern.

Eine kleine Änderung des ______________________ bewirkt eine große Änderung des

_____________________.

Der Tran sistor

1. Beschrifte die drei Schichten von Transistoren

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Lösungen/Physik – Elektrizitätslehre 5

Dauermagnete und Elektromagnete S. 1

1. Magnetische Felder entstehen um Dauermagnete oder um Elektromagnete. Wir können es nachweisen durch Kraftwir-kungen auf ferromagnetische Körper. Alle Magnetfelder haben einen Nord- und einen Süd-Pol. Abstoßungskräfte wirken zwischen Nord- und Nordpol oder Süd- und Südpol.

2.

Dauermagnete

Elektromagnete

Im Raum um den Magneten entsteht ein magnetisches Feld.

sind Stabmagnete

Die Anziehungskraft kann man ausschalten.

Die Anziehungskraft ist konstant.

sind stromdurchflossene Leiter und Spulen

Ferromagnetische Körper werden angezogen.

3. a) b)

c)

d) An den Polen ist die Anziehungskraft am größten.Die Eisenspäne verteilen sich am Nord- und Südpol gleich.Die Eisenspäne stellen das Magnetfeld vollständig dar.Die Anordnung der Eisenspäne verläuft symmetrisch.

Der Elektromotor S. 2

1.

Stator

Rotor

Kommutator

Kohlebürsten

AnschlussklemmenAnschlussklemmen

Energieumwandlung: elektrische Energie → Bewegungsenergie

2. Die Spulen des Rotors sind stromdurchflossen, um sie herum entsteht ein magnetisches Feld. Stehen sich zwei gleiche Pole von Rotor und Stator gegenüber, so stoßen sie sich ab. Der Rotor dreht sich weg, seine Pole werden nun von den gegenüberliegenden Polen des Stators angezogen. Liegen sich unterschiedliche Pole fast gegenüber, wird die Strom-richtung in den Rotorspulen durch den Kommutator umgekehrt. So ändert sich die Polung der Rotorspulen, sie werden nun von den Polen des Stators wieder abgestoßen. Die Spulen in Elektromagneten können ihre Polung ändern.

3. Ein Teil der elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Der Wirkungsgrad von Elektromotoren liegt häufig über 90 %, d. h. dass über 90 % der aufgewendeten elektrischen Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird.

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gd- und Süd vollständigt symmetrisch.

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4. Vorteile Nachteile

Elektromotoren kein Ausstoß von Schadstoffen, leiseAkkus sind noch schwach, sodass die Reichweite gering ist

Benzin- und Dieselmotoren große Reichweite Ausstoß von Schadstoffen

Die elektromagnetische Induktion S. 3

1. Spule (1) und Spule (3) muss er auswählen, beide unterscheiden sich nur in der Anzahl ihrer Windungen.Die induzierte Spannung kann mit der Spule (4) noch erhöht werden, da sie einen Eisenkern besitzt.

2. Maxi kann die Spule bewegen.

3. der Schalter immer wieder geöffnet und geschlossen werden.im Stromkreis mit Spule 1 Wechselstrom fließen.

4. Experiment von Martin: EBew

→ Eel

Experiment von Lucas: Eel → E

el

Die Lenz’sche Regel S. 4

1. Die nach dem deutsch-baltischen Physiker benannte Lenz’sche Regel besagt, dass der Induktionsstrom stets so gerich-tet ist, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegen wirkt. Die dabei entstehenden Kräfte werden zum Beispiel bei Wirbelstrombremsen genutzt.

2.

Durch die Bewegung des Dauermagneten ändert sich das vom Ring umgebene Magnetfeld. Es wird eine Spannung indu-ziert, ein Induktionsstrom fließt und baut wiederum ein Magnetfeld auf. Dieses ist jeweils so gerichtet, dass es nach der Lenz’schen Regel der Ursache entgegenwirkt, folglich den Aufbau bzw. Abbau des Magnetfeldes verzögert.

3. Gleitet der Magnet über das Aluminium, so wird im Aluminium eine Spannung induziert. Der Induktionsstrom wirkt nach Lenz’scher Regel der Ursache entgegen. Die dabei entstehenden Kräfte wirken der Abwärtsbewegung des Magneten entgegen.

4. a) b) Bei Wirbelstrombremsen tritt ein geringerer Verschleiß auf.

Was haben Tachos, Kochplatten und Straßenbahnen gemeinsam? S. 5

1. Was aber passiert, wenn der Leiter mehr Raum umfasst, es sich also um einen kompakten Körper oder um eine Fläche handelt? In diesem Fall sind die Ströme, die durch die Bewegung der Magneten in der Nähe des Leiters induziert wer-den, alle unterschiedlich gerichtet. Es entstehen viele kleine Ströme. Sie erscheinen als turbulent verändernde Wirbelund werden Wirbelströme genannt.

2. Wärmewirkung Kraftwirkung

Induktionsherd Tachometer

Härten metallischer Gegenstände Bremse

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b)

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3.

4. In Maschinen, in denen Spulen und ferromagnetische Stoffe verwendet werden, treten dann unerwünschte Wärme- und Kraftwirkungen auf.

Der Generator S. 6

1. a)

Dauermagnet

Anschlussklemmen

Stator

Induktionsspule

b) Energieumwandlung: Bewegungsenergie → elektrische Energie

2. Nach dem Induktionsgesetz wird in einer Spule eine Spannung induziert, wenn sich das von ihr umfasste Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist umso größer, je schneller sich das Magnetfeld ändert. Wenn sich folglich der Rotor schneller dreht, ist die induzierte Spannung größer. Die Lampe leuchtet heller.

3. a) Um die stromdurchflossenen Spulen des Rotors entsteht ein Magnetfeld.

b) Der Dieselmotor treibt mit seiner Drehbewegung den Rotor an. Das Magnetfeld der stromdurchflossenen Rotorspu-len dreht sich 1 500 Mal pro Minute innerhalb des Stators mit seinen großen Statorspulen. Durch diese Drehung än-dert sich das von den Spulen des Stators umfasste Magnetfeld. Nach dem Induktionsgesetz wird in ihnen eine Span-nung induziert.

c) chemische Energie → Wärmeenergie → Bewegungsenergie → elektrische Energie

Der Transfo rmator S. 7

1. Transformatoren bestehen aus einer Primärspule, Sekundärspule und Eisenkern. Als Schaltzeichen des Transformators

verwenden wir . Wir nutzen Transformatoren zum Beispiel in Ladegeräten und Umspannwerken.

2. Das ist nicht möglich. Fließt durch eine Spule ein Gleichstrom entsteht zwar ein Magnetfeld, jedoch ändert es sich nicht. Diese Änderung ist nach dem Induktionsgesetz Voraussetzung für das Entstehen einer Induktionsspannung.

3. a)

PrimärspuleN

1; U

1 und I

1

SekundärspuleN

2; U

2 und I

2

Die Windungszahlen in einem Transformator verhalten sich wie die Spannungen zueinander. Die Windungszahlen in einem Transformator verhalten sich umgekehrt wie die Stromstärken zueinander.

N 1

N 2

= U 1

U 2

; N 1

N 2

= I 2

I 1

b) N1 N2 U1 in V U2 in V l1 in mA l2 in mA

500 1 000 6 12 500 250

750 250 9 3 200 600

1 000 1 500 8 12 150 100

3 000 500 24 4 150 900

4. Wenn die Primärspule mehr Windungen hat als die Sekundärspule, dann ist die Primärspannung größer als die Sekun-därspannung und die Primärstromstärke kleiner als die Sekundärstromstärke.

Rotor

Primär

1; U

1 und I

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Anwendungen und Berechnungen S. 8

1. N 1

N 2

= U 1

U 2

; 3 000

N 2

= 230 V

24 V; N

2 = 3 000 · 24 V

230 V; N

2 = 313

2. Es soll erkannt werden, dass die Primärspule mehr Windungen haben muss als die Sekundärspule, da die Primärspan-nung größer als die Sekundärspannung ist. Des Weiteren stellt man fest, dass in der technischen Umsetzung nur Spulen verwendet werden können, die die Spannung annähernd transformieren. So kommen zwei Spulenpaare infrage: 750 und 50 Windungen sowie 1 500 und 100 Windungen.

3. a) 380 kV

110 kV

20 kV

220 V / 400 V

Mittelspannung

Niederspannung

Höchstspannung

Hochspannung

b) im Kraftwerk zur Erhöhung der Spannungim Umspannwerk vor einer Stadt zur Verringerung der Spannung

c) Durch die Erhöhung der Spannung verringert sich die Stromstärke. Folglich werden für den Transport dünnere Kabel benötigt. Die Verluste durch Wärme werden geringer.

Wie der Funke überspringt S. 9

1.

Unterbrecher

Batterie 24 V

Primärspule Sekundärspule

N1 < N

2

U1 < U

2

2. Der Unterbrecher im Primärstromkreis öffnet den Stromkreis. Um die Primär-spule baut sich das Magnetfeld ab, welches die Sekundärspule durchdringt. In der Sekundärspule wird während des Abbaus des Magnetfeldes eine Spannung induziert. Da N

1 << N

2 , ist

die induzierte Spannung im Sekundär-stromkreis sehr groß.

3. Die Windungszahlen von Primär- und Sekundärspulen in einem Transformator verhalten sich wie die zugehörigen Spannungen. Soll in der Sekundärspule eine größere Spannung als in der Primärspule induziert werden, so ist die Windungszahl der Sekundärspule viel größer als in der Primärspule.

4. U 1

U 2

= N 1

N 2

; 12 V

20 000 V = 10

N 2

; N2 = 20 000 V · 10

12 V; N

2 = 16 667

Lernzielkontrolle S. 10

1. In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von ihr umfasste Magnetfeld ändert. Die Größe der induzier-ten Spannung hängt zum Beispiel von der Windungszahl / Stärke des Magnetfeldes ab. Der entstehende Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache entgegenwirkt. Die Induktion wird zum Beispiel bei Generatoren genutzt.

2. a) Spule (1) und Spule (3) muss sie auswählen, beide unterscheiden sich nur durch den Eisenkern (Bewegungen und Windungen sind gleich).

b) Befindet sich ein Stabmagnet mit einem Pol in einer Spule und lässt man diesen um seine Achse rotieren, so ändert sich nicht das Magnetfeld um der Spule, so wird keine Spannung induziert.

3. Der Induktionsstrom kann auch verschieden gerichtet sein.

4. Durch den Wechselstrom in den Spulen des Induktionsherdes ändert sich ständig die Richtung des Magnetfeldes. In dem Boden des Topfes wird eine Spannung induziert. Der Topfboden ist eine kompakte Fläche, sodass ein Wirbelstrom fließt und den Topfboden erwärmt.

5. Aussage richtig falsch Die Aussage müsste richtig heißen:

In Transformatoren wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.

XIn Transformatoren wird elektrische Energie in Bewe-gungsenergie umgewandelt.

Mit Transformatoren kann man Spannungen und Stromstärken erhöhen oder verringern.

X

Wird mit einem Transformator die Spannung er-höht, so erhöht sich auch die Stromstärke.

XWird mit einem Transformator die Spannung erhöht, so verringert sich die Stromstärke.

ets so ge

Spule (1ndungen s

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nd Spule d

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667

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Sekundus des

nnung induziduzierte Spa

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rosich das Magne

Sekundärspule ärspule wird wä

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3. Die Windunnunge

Windungsz

U 11

U 2

= N11

N;

ngszahlen vonn. Soll in de

Primärspule

N1

U

Sekundä

N

2 D

n für den Tran


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Wird die Primärspule mit einer Gleichspannung betrieben, entsteht in der Sekundärspule auch eine Gleichspannung.

XWird die Primärspule mit einer Gleichspannung betrie-ben, entsteht in der Sekundärspule keine Spannung.

In unbelasteten Transformatoren verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen zu-einander.

X

6. Die Windungszahlen von Primär- und Sekundärspule in einem Transformator verhalten sich wie die zugehörigen Span-nungen. Soll in der Sekundärspule eine kleinere Spannung als in der Primärspule induziert werden, so ist die Windungs-zahl der Sekundärspule viel kleiner als in der Primärspule.

7. a) Es soll erkannt werden, dass die Primärspule mehr Windungen haben muss als die Sekundärspule, da die Primär-spannung größer als die Sekundärspannung ist. Des Weiteren stellt man fest, dass in der technischen Umsetzung nur Spulen verwendet werden können, die die Spannung annähernd transformieren. So kommt folgendes Spulen-paar in Frage: 1 000 und 50 Windungen.

U 1

U 2

= N 1

N 2

; 230 V

12 V = 1

19,167; 1 000

50 = 1

20

b) I 2

I 1

= N 1

N 2

; I 2

0,1 A = 1 000

50; I

2 = 1 000 · 0,1 A

50; I

2 = 2 A

c) Der berechnete Transformator könnte für das Betreiben einer elektrische Eisenbahn oder Autorennbahn oder als Ladegerät für die Akkus verschiedener elektrischer Geräte verwendet werden.

8. Diese Behauptung ist falsch. Das sich ändernde Magnetfeld der Primärspule induziert in der Sekundärspule eine Span-nung. Dort fließt der Sekundärstrom.

Halbleiter S. 12

1. Der in der Technik am häufigsten verwendete Halbleiter ist Silizium. Die Atome sind in einem Atomgitter angeordnet, die 4 Außenelektronen gehen eine Elektronenpaar-Bindung ein. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen Leitern und Isolatoren. Sie wird von Licht und Wärme beeinflusst und kann gezielt mit fremden Atomen erhöht werden. Dieser Vorgang heißt Dotieren.

2. p-dotierter Halbleiter

Si Si Si

Si P Si

Si Si Si

n-dotierter Halbleiter

Si Si Si

Si B Si

Si Si Si

a) Im p-dotierten Halbleiter: Defektelektronen oder Loch.Im n-dotierten Halbleiter: Elektronen

b) Im n-dotierten Halbleiter bewegen sich die Elektronen zum Pluspol.Durch das Dotieren stehen zusätzliche Ladungsträger zur Verfügung.

3.

Löcherbewegung Elektronenbewegung

p-Leiter n-Leiter

Löcherbewegung Elektronenbewegung

p-Leiter n-Leiter

In der ersten Abbildung bewegen sich die Ladungsträger aufeinander zu. In der zweiten Abbildung bewegen sich die Ladungsträger nach außen, voneinander weg, in der Mitte der Diode bildet sich eine breite Sperrschicht.

Die Halbleiterdiode S. 13

1. Aussage richtig falsch Die Aussage müsste richtig heißen:

Ein pn-Übergang lässt den elektrischen Strom stets durch.

XEin pn-Übergang lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung durch.

Das Silizium, aus dem eine Halbleiterdiode besteht, ist gezielt verunreinigt.

X

Solarzellen wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um.

XSolarzellen wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um.

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p-

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Leiter n-Le

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Liegen an Dioden sehr kleine Spannungen an, so ist die Überwindung der Grenzschicht für die La-dungsträger unmöglich.

X

2. a) linke Seite: Die Lampe leuchtet: Durchlassrichtung.rechte Seite: Die Lampe leuchtet nicht: Sperrrichtung.

b) Die Diode lässt den Strom durch, wenn an der Anode (am p-dotierten Halbleiter) der Pluspol und an der Kathode (am n-dotierten Halbleiter) der Minuspol angeschlossen ist. Die Defektelektronen bewegen sich in Richtung des Minuspols, die Elektronen in Richtung des Pluspols. So kommt es zu einer Überwindung der Grenzschicht. Die Diode schaltet durch: Durchlassrichtung.

Werden die Pole getauscht, bewegen sich die Defektelektronen und Elektronen jeweils noch zu den genannten Po-len, jedoch nach außen. Die Grenzschicht verbreitert sich. Die Diode sperrt den Stromfluss: Sperrrichtung.

c) Die Diode lässt nur eine Richtung des Stroms durch. Wechselspannungen haben meist eine Frequenz von 50 Hz, in einer Sekunde lässt die Diode 50 Mal den Strom durch, 50 Mal sperrt sie. Der Glühdraht der Lampe ist zu träge und unsere Augen können diesen Wechsel nicht wahrnehmen, so sehen wir die Lampe leuchten.

3.

rot

grünA B

4. In dem Diagramm ist der Zusammenhang zwischen der Stromstärke I und der Spannung U dargestellt. Die gestrichelte Linie ist eine ansteigende Gerade durch den Koordinatenursprung. So gilt I ~ U. Dieser Zusammenhang gilt für einen elektrischen Widerstand. Die Volllinie verläuft bis ca. 0,6 – 0,7 V sehr flach und steigt anschließend stark an. Diese Eigenschaft kennzeichnet Halbleiterdioden.

5. E C G B A D F

Der Transistor S. 15

1.Kollektor

Emitter

Basis

2. Wir unterscheiden bei einem Transistor zwei Stromkreise: den Basisstromkreis (Steuerstromkreis) und den Kollektor-stromkreis (Arbeitsstromkreis). Liegt nur im Kollektorstromkreis eine Spannung an, so ist der Transistor an einem pn-Übergang gesperrt. Es fließt kein Strom. Wird im Basisstromkreis eine kleine Spannung angelegt, so wird der pn-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet und es fließt auch ein Kollektorstrom.

3. a) durchgeschalteter Transistor

b) gesperrter Transistor

4. Transistoren werden als Verstärker verwendet.Transistoren werden als Schalter eingesetzt.

5. Der Steuerstromkreis (Basis) steuert den Arbeitsstromkreis (Kollektor). Mit einem kleinen Basisstrom kann man einen großen Kollektorstrom steuern.Eine kleine Änderung des Basisstroms bewirkt eine große Änderung des Kollektorstroms.

unterscheidekreis (Arbeiang ge

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dargestellt. Dammenhang gilt

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Illustrationen: Spule und Leiter (S. 1, 17): Roman Lechner; Elektromotor (S. 2, 17) © thingamajiggs – Fotolia.com; Experiment (S. 4) © Anke Ganzer; Zündspule (S. 20) © Anke Ganzer; Experiment (S. 3): Roman Lechner; Magneten (S. 4, 18): Roman Lechner; Wirbelströme (S. 5, 18): Roman Lechner; Dynamo (S. 6, 19): Roman Lechner; Trafo (S. 7): Roman Lechner; Energietransport (S. 8): Roman Lechner; Solarzelle (S. 14): Roman Lechner; Transistoren (S. 15, 21): Roman Lechner; Zündspule (S. 9): Roman LechnerSatz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, Bayreuth

Bestellnr.: 23275DA5

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