Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1994/95
Wahlaufgabe 5 Elektrizitätslehre
5.1 Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit elektrischer Strom fließen kann?
5.2 Halbleiterwiderstand
5.2.1 Ein Halbleiterwiderstand wird erwärmt, U = konstant.
Wie ändern sich
a) der elektrische Widerstand und
b) die Stromstärke?
Begründen Sie!
5.2.2 Wozu kann ein Halbleiterwiderstand genutzt werden?
5.3 Elektromagnetische Induktion
5.3.1 Unter welchen Bedingungen kann eine Induktionsspannung entstehen?
5.3.2 Beschreiben Sie anhand einer Skizze den Aufbau eines Transformators!
5.3.3 Erklären Sie die Wirkungsweise des Transformators!
5.3.4 Welche Spannung kann auf der Sekundärseite eines unbelasteten
Transformators abgegriffen werden, wenn an der Primärseite eine Wechselspannung von 48 V
anliegt?
Die felderzeugende Spule (Primärspule) hat 1000 Windungen, die Induktionsspule
(Sekundärspule) hat 125 Windungen.Begründen Sie!
5.4 Schülerexperiment
Aufgabe: Ermitteln Sie den elektrischen Widerstand einer Spule (1000 Windungen) mit geschlossenem Eisenkern im Gleich- und Wechselstromkreis!
Vorbereitung: 1 . Entwerfen Sie
einen Schaltplan!
2. Entwerfen Sie eine Messwerttabelle!
Durchführung: 1. Bauen Sie die
Schaltung auf! Lassen Sie die Schaltung vom Lehrer überprüfen!
2. Messen Sie jeweils Spannung und Stromstärke bei Verwendung von Gleich- und
Wechselspannung! (Buchsenkombination 2 V - 8 V)!
3. Notieren Sie die Werte in der Tabelle!
Auswertung: 1 .
Berechnen Sie den elektrischen Widerstand der Spule im Gleich- und Wechselstromkreis!
2. Vergleichen Sie die Widerstände! Begründen Sie!
Lösung
Wahlaufgabe 5 Elektrizitätslehre
(Bitte beachten
Sie den Hinweis am Ende der Seite)
5. 1 Voraussetzungen für den elektrischen Stromfluss sind:
- Das Vorhandensein frei beweglicher elektrische Ladungsträger und
- Die Existenz eines elektrischen Feldes bzw. einer Spannungsquelle
5. 2. 1
a) Der elektrische Widerstand wird kleiner.
b) Die Stromstärke wird größer.
Begründung: Bei höherer Temperatur schwingen einerseits die Atome und Ionen des
Halbleiters stärker um ihre Ruhelage und behindern so die Bewegung der freien Elektronen.
Andererseits können sich mehr Außenelektronen aus ihren Bindungen lösen. Somit stehen
sehr viele frei bewegliche Ladungsträger und Defektelektronen für den elektrischen
Leitungsvorgang zur Verfügung. Dieser Vorgang überwiegt.
5. 2. 2 Ein Halbleiterwiderstand kann als temperaturabhängiger Messfühler, als lichtabhängiger Fotowiderstand oder als elektronischer Schalter (z. B. für Brandmelder, Belichtungsmesser, usw.) genutzt werden.
5. 3. 1 Bedingungen für die elektromagnetische Induktion:
- Die Induktionsspule wird im Magnetfeld eines Dauermagneten oder einer anderen stromdurchflossenen Spule bewegt.
- Ein Dauermagnet oder eine stromdurchflossene Spule werden in der Umgebung einer feststehenden Induktionsspule bewegt.
- Die Stärke des Magnetfeldes der Spule, die sich in der Nähe der Induktionsspule befindet, wird geändert, zum Beispiel durch Ein- und Ausschalten des Spulenstroms oder Ändern der Stromstärke.
Das heißt: Die Stärke des von der Induktionsspule umschlossenen Magnetfeldes muss sich ändern.
5. 3. 2
Aufbau des Transformators:
Quelle: Physik 9/10 Sachsen; Paetec Verlag 1998
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die sich auf einem geschlossenen Eisenkern befinden. Die Spulen sind nicht elektrisch miteinander verbunden.
5. 3. 3
Wirkungsweise des Transformators:
An die Primärspule wird eine elektrische Wechselspannung angelegt, die in der Spule ein
ständig wechselndes Magnetfeld erzeugt. Über den geschlossenen Eisenkern wird das
magnetische Wechselfeld auf die Sekundärspule übertragen. Damit umfasst die
Sekundärspule ein sich ständig änderndes Magnetfeld, so dass in der Sekundärspule
(nach dem Induktionsgesetz) eine Wechselspannung induziert wird.
5. 3. 4
geg.: N1 = 1000
N2 = 125
U1 = 48 V
ges.: U2 in V
Lösung:
Es gilt die Spannungsübersetzung für den unbelasteten Transformator:
Es kann eine Sekundärspannung von 6 V abgegriffen werden.
5. 4
Vorbereitung:
Schaltplan:
Messwerttabelle:
| Lfd. Nr. | Stromart |
U in V |
I in A |
R in W |
1 |
Gleichstrom |
|||
2 |
Wechselstrom |
Durchführung:
- Aufbau der Schaltung und Kontrolle durch den Lehrer
- Messen der Spannung und Stromstärke bei Verwendung von Gleich- und Wechselspannung (U = 6 V)
- Notieren der Messwerte:
| Lfd. Nr. | Stromart |
U in V |
I in A |
R in W |
1 |
Gleichstrom |
6,0 |
0,42 |
14,3 |
2 |
Wechselstrom |
6,0 |
0,014 |
428,6 |
Auswertung:
Berechnen des elektrischen Widerstandes
der Spule (siehe Tabelle):
Vergleich der beiden Widerstände:
Der elektrische Widerstand der Spule ist im Gleichstromkreis kleiner als der Widerstand
beim Verwenden einer Wechselspannung.
Begründung: Beim Anlegen einer Wechselspannung tritt in der Spule Selbstinduktion auf. Es
gilt das Induktionsgesetz: In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das
von der Spule umschlossene Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist stets so
gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegen wirkt (Lenzsche Regel). Daher wird der
Stromfluss behindert, d.h. bei gleicher Spannung muss der Widerstand größer sein.
Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen von Dirk Hein, Freital, und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösungen. Wir freuen uns über jeden Hinweis zur Verbesserung dieser Musterlösungen. Bitte senden Sie uns eine Email, Betreff: Prüfung 1995