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
- 1Wähle Windungszahl, Spulenfläche und Flussdichte. Der Motor dreht die Spule mit der Frequenz f.
- 2Beobachte, in welcher Stellung der Spule die Spannung am größten und wann sie null ist.
- 3Tippe „Scheitelwert ablesen“ und dann „f und Û in die Tabelle“.
- 4Wiederhole für mindestens fünf Frequenzen.
- 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 TDrehfrequenz f
5,0 HzBei 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 Hz | Scheitelwert Û in V |
|---|
Aufträge
- 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.
- 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?
- Abituraufgabe 2009: ein Drahtrahmen (n = 1) mit 8,0 cm Seitenlänge, 0,50 T, 20 Umdrehungen je Sekunde. Berechne Û, stelle ein und vergleiche.
- Nimm die Messreihe Û über f auf und bestimme die Flussdichte von Magnet X. Löse erst danach auf.
- 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“.