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Physik-LK · Skript 3 · Elektrizitätslehre

Generator und Wechselspannung

Eine Spule mit n Windungen und der Fläche A dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω = 2πf in einem homogenen Magnetfeld. Die wirksame Fläche ist A · cos(ωt), der Fluss Φ(t) = B A cos(ωt). Nach dem Induktionsgesetz entsteht eine sinusförmige Wechselspannung Uind = −n · Φ̇ = n B A ω · sin(ωt) mit dem Scheitelwert Û = n B A ω.

So gehst du vor

  1. 1Wähle Windungszahl, Spulenfläche und Flussdichte. Der Motor dreht die Spule mit der Frequenz f.
  2. 2Beobachte, in welcher Stellung der Spule die Spannung am größten und wann sie null ist.
  3. 3Tippe „Scheitelwert ablesen“ und dann „f und Û in die Tabelle“.
  4. 4Wiederhole für mindestens fünf Frequenzen.
  5. 5Schalte den Motor aus und drehe die Spule mit dem Finger: schnell, langsam, rückwärts.
Induktionsspannung
0,0 V
Scheitelwert (Oszilloskop)
–,– V

Windungszahl n

Spulenfläche A

Flussdichte B

0,10 T

Drehfrequenz f

5,0 Hz

Bei φ = 0 steht die Spulenfläche senkrecht zu den Feldlinien (Fluss maximal). Schnelle Drehungen zeigt die Zeichnung in Zeitlupe; die Zeitachse des Oszilloskops gilt für die echte Zeit.

Scheitelwert und Drehfrequenz: Û über f

Windungszahl, Fläche und Magnet während der Messreihe nicht ändern. Aus Û = n B A · 2πf folgt B aus der Steigung.

Nr.Frequenz f in HzScheitelwert Û in V
02468100,00,40,81,21,62,0f in HzÛ in V

Aufträge

  1. In welcher Stellung der Spule ist die Spannung maximal, in welcher null? Begründe mit dem Fluss und seiner Änderung und vergleiche die beiden Kurven auf dem Oszilloskop.
  2. Skriptaufgabe: 200 Windungen, 40 cm², 0,10 T, 50 Hz. Berechne den Scheitelwert und prüfe am Oszilloskop. Wie ändern sich Scheitelwert und Frequenz, wenn die Spule doppelt so schnell dreht?
  3. Abituraufgabe 2009: ein Drahtrahmen (n = 1) mit 8,0 cm Seitenlänge, 0,50 T, 20 Umdrehungen je Sekunde. Berechne Û, stelle ein und vergleiche.
  4. Nimm die Messreihe Û über f auf und bestimme die Flussdichte von Magnet X. Löse erst danach auf.
  5. Drehe die Spule mit dem Finger. Wovon hängen Größe und Vorzeichen der Spannung ab? Was zeigen die Stromrichtungen in den Leitern?

Theorie: E-Lehre-Skript, Abschnitt „Generator und Wechselspannung“ im Kapitel „Elektromagnetische Induktion“.

Üben in Minærva Noctua

Fragen und Aufgaben zu den passenden Abschnitten im Skript: