Induktion

Lernziele

  • Sie wissen, wie ein Generator funktioniert und erklären ihn mithilfe der Induktion

  • Sie kennen die Wechselspannung und wissen wie diese mit einem Transformator (kurz Trafo) umgewandelt werden kann

Der Generator

Generatoren werden eingesetzt, um mechanische Energie (einer Turbine beispielsweise) in elektrische Energie umzuwandeln. Auch der Dynamo an Ihrem Fahrrad ist ein kleiner Generator.

Betrachten wir das einfachste Modell eines Generators:
Zwischen den Polen eines Hufeisenmagnets wird eine Spule mit konstanter Fläche rotiert. Durch diese Rotation verändert sich die Fläche senkrecht zu den Magnetfeldlinien mit der Zeit. Betrachten Sie dazu folgende Animation. Die Spule (als rote Leitung dargestellt) wird durch die hellblaue Kurbel im konstanten Magnetfeld rotiert. Ein angeschlossenes Messgerät zeigt Ihnen die aktuell induzierte Spannung. Im Diagramm oben links sehen Sie zudem den zeitlichen Verlauf dieser Spannung dargestellt.

Frage

Wann ist die Fläche senkrecht zu den Magnetfeldlinien am Grössten? Wann ist sie minimal?

Antwort

Wenn die Spule waagrecht ist, ist die Fläche senkrecht zu den Magnetfeldlinien am Grössten. In dieser Position geht die grösste Anzahl Feldlinien durch die Spule.

Steht die Spule senkrecht, stossen keine Feldlinien durch sie hindurch und die Fläche senkrecht zu den Feldlinien ist 0.

Wieso wird auch eine negative Spannung induziert?
Das scheint auf den ersten Blick etwas verwirrend zu sein, da Flächeninhalte nur positiv sein können. Die Erklärung ist relativ einfach: Eine Spule hat wegen der Richtung der einzelnen Wicklungen sehr wohl eine Orientierung. In der Animation oben, können Sie das an den Schleifkontakten (ohne Kommutator) erkennen. Wenn die Spule flach liegt und am meisten Magnetfeldlinien durch sie hindurchgehen, kann der Anschluss der linken Spulenseite (mit dem schwarzen Pfeil) zum vorderen oder zum hinteren Ring (rot dargestellt) gehen. Also ist die Situation erst nach einer vollen Umdrehung wieder exakt dieselbe, obwohl nach einer halben Umdrehung die Spule wieder flach liegt. Diese unterschiedliche Orientierung wird durch das Vorzeichen gekennzeichnet.

Aufgabe

Nun können Sie unten stehendes Arbeitsblatt bearbeiten. Wenn Sie nicht weiter wissen, schauen Sie sich die Animation oben noch einmal an. Dort sollten Sie die wesentlichen Sachen erkennen. Vorsicht: Auf dem Arbeitsblatt verlaufen die Magnetfeldlinien horizontal und nicht vertikal wie in der Animation.

Wir werden dieses Arbeitsblatt nächste Woche besprechen. Ich möchte es aber zwecks Mitarbeitsnote (+,−,0) vorher anschauen. Deshalb bitte ich Sie, mir Ihre Ausarbeitung (Screenshot oder Foto) bis Freitag, 5. Februar, 12.00 Uhr mittags in Teams abzugeben. Wenn das Blatt bei Ihnen leer oder nicht fristgerecht abgegeben wird, erhalten Sie ein −. Ein + erhalten Sie auch dann, wenn nicht alles korrekt ist. Eine vollständige Bearbeitung wird dafür aber vorausgesetzt.

Generator.pdf

Der Transformator

Das zweite, wichtige Gerät, das die Induktion ausnutzt, ist der Transformator. Um in den Transportleitungen die Verluste zu minimieren, wird die Spannung eines Kraftwerks hoch transformiert. Damit im Haushalt wieder die gewünschte tiefere Spannung zur Verfügung steht, wird sie kurz vor der Feinverteilung (in den Dörfern oder bei grösseren Städten in den einzelnen Quartieren) runter transformiert.

Aufgabe

Wie ein Transformator aufgebaut ist und wie er funktioniert erarbeiten Sie sich anhand folgendem Arbeitsblatt. Lösen Sie zur Wissenssicherung auch die beiden Testaufgaben. Ich gehe davon aus, dass Sie dieses Blatt ohne Schwierigkeiten bearbeiten können und werde es nicht überprüfen. Falls Sie trotzdem eine Frage haben, dürfen Sie diese gerne per Teams stellen.

Transformator.pdf

Lösungen zu den Testaufgaben des Arbeitsblatts

  1. Die zweite Spule hat 52 Windungen

  2. Da eine Batterie Gleichstrom liefert, wird durch die felderzeugende Spule ① kein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt. Deshalb wird in der Induktionsspule ② keine Spannung induziert. Ein Trafo funktioniert also nicht mit Gleichstrom.

Nebst dem Hochspannungstrafo gibt auch den Hochstromtrafo. Damit lassen sich hohe Ströme erzeugen. Er funktioniert genau gleich wie der Hochspannungstrafo, ausser dass die felderzeugende Spule ① mehr Windungen aufweist als die Induktionsspule ②.

Wird von einem idealen Transformator ausgegangen, muss die abgegebene Leistung auf Seite ② gleich gross sein wie die aufgenommene Leistung auf Seite ① (Betragsgleichung) :

Die Stromstärken auf beiden Seiten verhalten sich also umgekehrt proportional zu den Spannungen. Auf der Trafo-Seite mit der hohen Spannung ist die kleine Stromstärke, auf der anderen Seite mit der tiefen Spannung ist die hohe Stromstärke.