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1. Lernzielkontrolle / StegreifaufgabeKlasse 9

GP_A0160 **** Lösungen 3 Seiten (GP_L0160) 1 (2) www.mathe-physik-aufgaben.de

Magnetisches und elektrisches Feld, elektrische Ladungen

1. Ein Stabmagnet mit Nord- und Südpol wirdungefähr in der Mitte durchtrennt (siehe Abb.).a) Welche Aussagen sind zutreffend? O Jedes Teilstück hat nur noch einen Pol. O Die magnetische Wirkung ist nicht mehr vorhanden. O Jedes der beiden Teilstücke hat wieder einen Nordpol und einen Südpol. O Die gesamte magnetische Wirkung geht auf das längere Teilstück über; das andere Teilstück ist ohne magnetische Kraft.b) Begründe ausführlich die getroffene Entscheidung.

2. a) Was versteht man unter magnetischer Influenz?b) Gib zwei Methoden an, um einen Permanentmagneten zu entmagnetisieren. Kurze Begründung.

3. a) Was sind magnetische Feldlinien? Wie ist ihre Richtung festgelegt? b) Zeichne das Feldlinienbild eines Hufeisenmagneten.

Wie bezeichnet man den Teil des Feldes, der sich zwischen den beiden Polen desHufeisenmagneten befindet?

c) Was versteht man unter einem Magnetfeld?d) Beschreibe ein homogenes Magnetfeld. Wo tritt es (annähernd) auf?

4. Erstelle eine saubere Zeichnung,die das Feldlinienbild für die beidenungleichnamigen Ladungen zeigen.Beide Ladungen haben den gleichenBetrag (sind gleich groß).

5. Die beiden Abbildungen zeigenlinks den Querschnitt eines strom-durchflossenen Leiters und rechtseine kleine positiv geladene Kugel.Welche Art des Magnetfeldes(elektrisch oder magnetisch)entsteht jeweils in der Nähe?Zeichne jeweils die Feldliniensauber ein.

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6. a) Ein gerades Leiterstück wird vom Strom durchflossen. Ergänze die Zeichnung durch die Angabe der Stromrichtung (Pfeil) und die Polung der Leiterenden.b) Mit welcher Regel kann die Richtung der Magnetfeldlinien bestimmt werden? Wie lautet diese Regel?

7. Zwei gerade parallele Leiter sind nahe beieinander in der Weise angeordnet, dassbeim Schließen eines Schalters durch die beiden Leiter ein Strom in die gleicheRichtung fließt.a) Fertige eine Zeichnung (Schaltplan) an.b) Was kann man beim Schließen des Schalters beobachten?c) Wie kann diese Beobachtung erklärt werden?

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1. a) Wie kann man ein magnetisches Feld nachweisen?b) Wie kann man ein elektrisches Feld nachweisen?c) Wie kann man Feldlinien eines elektrischen Feldes „sichtbar“ machen?d) Wie kann man nachweisen, ob ein Körper positiv oder negativ geladen ist?

2. a) Fertige eine saubere Zeichnung an, die das Feldlinienbild zweier positiv geladener Metallkugeln darstellt. Der Ladungsbetrag ist jeweils gleich.b) Die Abbildung rechts zeigt ein elektrisches Feld. Welche Fehler in der Darstellung erkennst du?

3. Zeichne das Feldlinienbild eines Stabmagneten und beschrifte seine Pole.

4. a) Benenne die Teile 1 bis 7 des nebenstehend abgebildeten Elektroskops.b) Wie funktioniert dieses Elektroskop prinzipiell?

5. Ein positiv geladener Plastikstab wird in dieNähe eines ungeladenen Elektroskopsgebracht ohne jedoch seinen Kopf zuberühren. Bereits dadurch zeigt dasInstrument einen Zeigerausschlag.Erkläre und begründe, was dabeigeschehen ist.Welche Ladungsart trägt dabei derZeiger des Elektroskops?Was passiert, wenn der Plastikstab wiederentfernt wird?

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1. a) Was versteht man unter einem elektrischen Feld?

b) Begründe, warum sich (nichtleitende) Grießkörner die in Öl schwimmen, in einem starken elektrischen Feld zu Ketten anordnen? Ergänze deine Erklärung durch die Skizze einer solchen Kette.

c) Zeichne ein Feldlinienbild für das elektrische Feld in untenstehender Anordnung.

2. Dem Kopf eines negativ geladenen Elektroskops (am Zeiger herrscht Elektronen-überschuss) wird eine positiv geladene Metallkugel genähert, deren Ladung größerist, als die negative Ladung des Elektroskops.Wie ändert sich der Zeigerausschlag bei Annäherung der Metallkugel?Begründung angeben!

3. Eine Leiterschaukel hängt frei beweglich zwischenden Polen eines Hufeisenmagneten (vgl. Abb.).a) In welche Richtung bewegt sich die Leiterschaukel, wenn der Schalter S geschlossen wird?b) Ergänze die Zeichnung mit einem Pfeil für die Richtung der Leiterbewegung, gib auch die Richtung der Magnetfeldlinien an und trage die technische Stromrichtung ein.

Ordne die entsprechenden Größen denBegriffen U…, V…, W… zu.

c) Was ist mit UVW gemeint?d) Wovon hängt die Größe der Kraftwirkung auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld ab?

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4. Um die Bahnen von kleinsten Teilchen zubeobachten, kann eine Nebelkammereingesetzt werden (hier als Rechteckdargestellt). Ein Magnetfeld durchdringt dieganze Nebelkammer und es steht senkrechtauf dem Rechteckfeld.Drei verschiedene Teilchen A, B und Cwerden senkrecht zur Magnetfeldrichtung indie Nebelkammer eingeschossen.Zeichne jeweils die auf das Teilchenwirkende Kraft ein und gib seineLadungsart an. Wie heißt diese Kraft?Kurze Begründung mitliefern!

5. a) Was ist die Lorentz-Kraft?b) Unter welchen Voraussetzungen erfährt ein Teilchen die Lorentz-Kraft?c) Wovon hängt der Betrag der Lorentz-Kraft ab?d) Zeichne die Lorentz-Kraft ein, die auf das untenstehende Elektron wirkt, welches sich in der eingezeichneten Richtung durch das Magnetfeld bewegt.

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1. a) Zeichne das Feldlinienbild einer stromdurchflossenen Spule. Wie verlaufen die Feldlinien im Inneren und außerhalb der Spule?

b) Gib eine Regel an, mit der die Richtung des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule in Abhängigkeit von der Stromrichtung bestimmt werden kann.

c) Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes der Spule ab?

2. Skizziere das Feldlinienbild der folgenden Ladungsanordnung.:

3. Positiv und negativ geladene Teilchen werden jeweils in ein homogenes Magnetfeldeingeschossen. Zeichne den weiteren Bahnverlauf und skizziere für jede Ladung aneiner beliebigen Stelle im Feld die auf sie wirkende Kraft. Schreibe einen kurzenBegründungstext.Hinweis: Die beiden Teilchen beeinflussen sich gegenseitig nicht.

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4. Worin besteht der Unterschied zwischen einem elektrischen Feld und denFeldlinien dieses Feldes?

5. Eine negativ geladene Metallkugel hängtan einem dünnen langen Faden nahe einerelektrisch neutralen, ortsfesten Metallplatte.Begründe, warum die Kugel ausgelenkt wird.

6. Ein einfaches Elektroskop ohne Glasgehäuse ist nach außen hin zunächstelektrisch neutral.

a) Mit einer Kugel, die eine Ladung von 123,6 10√ trägt, wird der Kopf desElektroskops berührt. Dabei fließen 40% der Ladungen innerhalb von 0,12 sauf das Elektroskop. 19e 1,602 10 C,< √Berechne die Stromstärke des in diesem Zeitraum geflossenen Stroms.

b) Wie kann man mit Hilfe einer negativ geladenen Kugel das Elektroskoppositiv aufladen?

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1. Die Lorentzkraft wirkt auf ein bewegliches Teilchen im Magnetfeld. Ergänze - wenn möglich - in den Bildern a) bis g) jeweils die fehlende Größe (Bewegungsrichtung, Richtung der Lorentzkraft, Vorzeichen des Ladungsträgers). TIPP: 3 - Finger Gymnastik

Hier sind zweiLösungen möglich!

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2. Die Lorentzkraft spielt eine wichtige Rolle bei Polarlichtern. Dort bewegen sich Elektronen auf schraubenlinienförmigen Bahnen. Erkläre wie eine solche Bahn entsteht. Eine Skizze ist hilfreich.

3. Im Folgenden ist jeweils die Sicht auf den Bildschirm einer Braun’schen Röhredargestellt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls wird dabei durch waagerecht odersenkrecht angeordnete Magnete erreicht, die von außen an die Elektronenstrahl-röhre herangeführt werden. Zeichne die notwendigen Magnete jeweils so ein, dassder abgebildete Leuchtpunkt entsteht.(Hinweis:Wenn keine Ablenkung durch ein Magnetfeld erfolgt, trifft der Leuchtpunkt in Bildschirmmitte auf.)

4. Zwischen zwei parallelen Platten existiert ein homogenes elektrisches Feld. Skizziere die Bewegung von geladenen Teilchen in diesem Feld. Beschreibe die Bahnkurve kurz mit Worten.

5. Zwischen zwei Platten (Abstand 15 cm) liegt die elektrische Spannung 5 V an.a) Welche kinetische Energie erreicht ein einzelnes Elektron, das sich - bei einer Anfangsenergie von 0 eV - von der negativ zur positiv geladenen Platte bewegt? ( 19e 1,6 10 C,< √ )

b) Welche Geschwindigkeit erreicht dabei das Elektron am Ende? Masse des Elektrons: 31

em 9,1 10 kg,< √ .

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1. a) Eine negativ geladene Metallkugel wird dem Kopf eines Elektroskops genähert, das ebenfalls negativ geladen ist. Eine Berührung des Elektroskops findet dabei nicht statt. Anschließend wird die Kugel wieder entfernt. Was kann man beim Annähern bzw. beim Entfernen der Metallkugel beobachten? Erkläre in ganzen Sätzen.

b) Das Elektroskop wird nun entladen. Dabei fließen 82,3 10√ Elektronen innerhalb von 25 ms ab. Berechne die dabei auftretende Stromstärke.

2. a) Skizziere sauber das Feldlinienbild eines elektrischen Feldes zwischen einer Spitze (negativ geladen) und einer Platte (positiv geladen). Worauf sollte bei der Skizze geachtet werden? In welchem Bereich ist das Feld am stärksten? Begründung.

3. a) In Braun’schen Röhren (Elektronenstrahlröhren) sind für die Ablenkung des Elektronenstrahls Systeme eingebaut, die entweder aus Ablenkplatten (elektrisches Feld) oder aus Magnetspulen (magnetisches Feld) bestehen. Im Folgenden ist jeweils die Blickrichtung von außen auf den Leuchtschirm dargestellt. Wie müssen die Ablenkplatten bzw. Magnetspulen angeordnet sein, damit der abgebildete Leuchtpunkt entsteht? Gib eine Kurzbeschreibung.

(Hinweis: Wenn keine Ablenkung erfolgt, trifft der Leuchtpunkt in Bildschirmmitte auf.)

Ablenkplatten

Magnetspulen

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b) Erkläre, was mit dem Leuchtpunkt in der Elektronenstrahlröhre geschieht, wenn (i) die Heizspannung erhöht wird? (ii) die Anodenspannung umgepolt wird?

c) Die Elektronen werden in der Braun’schen Röhre durch eine Spannung von 2,8 kV beschleunigt. Berechne die Geschwindigkeit der Elektronen auf ihrem Weg zum Leuchtschirm. (Masse des Elektrons: 31

em 9,1 10 kg,< √ ; Elementarladung: 19e 1,6 10 C,< √ )

4. Eine kurze Spule ist zwischen den Poleneines Dauermagneten vertikal drehbar gelagert(vergl. Abb. rechts). Was geschieht mit der Spule,wenn durch die WicklungGleichstrom fließt ( ∗ , )? Die technische Stromrichtung ist durch Pfeile angegeben.(Kurze) Antwort mit Begründung inganzen Sätzen.

5. a) Eine Metallkugel besitzt eine negative Ladung von 0,01 C. Um wie viel Elektronen handelt es sich bei diesem Ladungsüberschuss?

b) Über einen Bandgenerator werden 152 10√ Elektronen auf einen Metallstab übertragen. Wie groß ist die zusätzliche Ladung des Stabes?

c) In einem homogenen elektrischen Feld werden Protonen aus der Ruhe heraus beschleunigt. Die Beschleunigungskraft auf ein Proton beträgt

16PF 1,6 10 N,< √ . Wie groß ist die Beschleunigung a der Protonen, wenn die

Masse eines Protons 27Pm 1,67 10 kg,< √ beträgt?

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1. a) Was ist ein elektrisches Feld?b) Was zeigen die Feldlinien (mit Pfeilrichtung) eines elektrischen Feldes an?c) Wann heißt ein Feld homogen?d) Bestimme für die Ladungen in den untenstehenden Skizzen jeweils die Richtung der Lorentzkraft und zeichne die Bahnkurven ein.

2. In den folgenden Abbildungen fehlen Beschriftungen. Ergänze die Zeichnungen durch die Angaben der Polung der Stromquelle bzw. des Magnets, wenn die Leiterschaukel wie dargestellt ausgelenkt wird.

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3. Leiterschleife im Magnetfelda) In einem Magnetfeld befindet sich eine Leiterschleife. Welche beiden Bedingungen müssen erfüllt sein, damit auf die Leiterschleife eine Kraft wirkt, die zu einer Dreh- bewegung der Leiterschleife führt?b) Zeichne in beide Abbildungen jeweils die Kräfte auf die Leiterschleife ein, wenn ein Gleichstrom fließt. Gib auch die Drehrichtung der Leiterschleife an.

c) Welche der beiden Abbildungen (1) oder (2) stellt den sog. Totpunkt dar? Begründung!d) Umpolen des Stromes führt zu einer kontinuierlichen Drehbewegung der Leiter- schleife. Wie wirkt sich das Umpolen auf die Kräfte aus?e) In welcher Stellung muss die Leiterschleife umgepolt werden, damit sie sich kontinuierlich dreht? Zeichne die Leiterschleife in Abb. 3 ein und erkläre kurz deine Skizze.

4. Gleichstrom-Elektromotora) Ein Elektromotor ist ein Energiewandler

Begründe!b) Nenne vier Hauptbestandteile eines

einfachen Gleichstrommotors.c) Erkläre die Wirkungsweise dieses

Gleichstrommotors anhandnebenstehender Prinzipzeichnung.

Was bewirkt der Kommutator? Was würde ohne Kommutator geschehen?

5. Ein Gleichstrommotor ist an einer 12 V- Batterie angeschlossen.a) Durch den Motor fließt ein Strom der Stärke 100 mA. Wie viele Elektronen bewegen sich innerhalb von 10 min. durch den Motor? 19e 1,602 10 C,< √

b) Wie groß ist der elektrische Widerstand des Motors?c) Welchen Zweck hat der Kommutator? Kurze Antwort.

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1. Beschreibe und skizziere dasmagnetische Feld in derUmgebung eines geradenstromdurchflossenen Leiters.Zeichne auch eine Kompassnadel,die sich in der Nähe des Leitersan den Feldlinien ausrichtet.Mit welcher Regel ermittelt mandie Feldlinienrichtung?

2. Ein gerades Leiterstück wird losgelassen undfällt durch ein homogenes Magnetfeld(siehe nebenstehende Skizze).In welche Richtung bewegen sich dieLeitungselektronen?Begründe deine Aussage.

3. Eine stromdurchflossene Leiterschaukel befindet sich jeweils in einem Magnetfeld.a) Zeichne jeweils die Kraftrichtung auf den Leiter ein.

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b) Kennzeichne Nord- und Südpol c) In welche Richtung fließt der Strom?Gib den Plus- und Minuspol an.

4. Ein geladenes Teilchen tritt in ein Magnetfeld ein.Skizziere zwei Möglichkeiten, damit das Teilchen nach oben abgelenkt wird.

5. In der skizzierten Spule fließt ein Strom. Das Magnetfeld im Spuleninneren istdurch Pfeile dargestellt. Beschrifte die Spule mit:♣ Plus- und Minuspol der Anschlüsse,♣ Nord- und Südpol (wie bei einem Stabmagnet),♣ Richtung des Stromflusses (technische Stromrichtung) in den Windungen.

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6. Der Nordpol einer Kompassnadel wird voreinem Elektromagneten bei Stromfluss inRichtung Spulenachse gedreht.Trage in die Skizze die Stromrichtung derSpule ein (technische Stromrichtung).Begründe deine Angaben.

7. Beim Verschrotten von alten Autos wird ein Elektromagnet zum Heben der Blechteileeingesetzt.a) Aus welchen Bauteilen besteht so ein Elektromagnet?b) Wie kann der Elektromagnet seine Blechteile wieder loslassen?c) Welchen Einfluss hat es für den Betrieb des Elektromagneten, wenn der Strom seine Richtung wechselt?

8. Die nebenstehende Skizze zeigt einen Schnittdurch eine von Gleichstrom durchflosseneSpule. Gegeben sind die magnetischen Pole.a) Zeichne das Magnetfeld der Spule und die technische Stromrichtung ein ( bzw.℘ δ ).

b) Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule ab?

9. Gib bei folgenden Aussagen an, ob sie richtig „r“ oder ob sie falsch „f“ sind. Ungleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich gegenseitig ab.

Fliegt ein Elektron parallel zum Magnetfeld, so wirkt keine Lorentz-Kraft auf das Elektron.

Schließt man einen Gleichstrommotor an eine 1,5V- Batterie an, so dreht er sich etwa halb so schnell wie bei einer 3V-Batterie.

Ändert man bei einem Bandgenerator die Drehrichtung, so lädt er sich entgegengesetzt auf.

In einem magnetischen Feld richten sich Magnetnadeln senkrecht zu den Feldlinien aus.

In einem elektrischen Feld erfahren positive Probeladungen eine Kraftwirkung in Richtung der Feldlinien. Auf negative Ladungen wirkt die Kraft in die entgegengesetzte Richtung.

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1. a) Skizziert sind die Feldlinien eines homogenen elektrischen Feldes Eτθ

und eines Magnetfeldes B

τθ

. Ergänze die Skizzen mit dem Plattenpaar einschl. Ladungen bzw. die Spule (mit zwei Windungen) einschl. Stromrichtung. Zeichne den Bahnverlauf des Elektronenstrahls (Geschwindigkeit v

θ

), der in das elektrische Feld bzw. in das Magnetfeld eintritt. Beschreibe die Bahnkurve jeweils kurz mit Worten.

b) Beim Durchfliegen des elektrischen Feldes eines Plattenpaares längs dessen Feldlinien hat ein Elektron beim Auftreffen auf einer Platte eine Geschwindigkeit von 61,4 10 m / s√ . Wie groß ist seine kinetische Energie in eV? Welche Spannung war zwischen den Platten angelegt?

31em 9,11 10 ...,< √

2. a) Ist eine herkömmliche Glühlampe vom Prinzip her mit einer Vakuumröhre oder einer Braunschen Röhre vergleichbar?b) Was versteht man unter der Elementarladung? Rechne um: Q 80 mC< in Anzahl e

3. Eine positiv geladene Kugel nähertsich schnell dem Körper K ohne ihnjedoch zu berühren. Eine geerdeteGlimmlampe liegt mit einer Kontaktseite am Körper an.Welche Beobachtung kann man machen? Begründung!

4. Beim Blick auf den Leuchtschirm einer Elektronenstrahlröhreist ein Leuchtpunkt sichtbar, der aus der Mitte abgelenktwurde. Um den Elektronenstrahl aus der Mitte nach untenlinks abzulenken, sind ein oder mehrere Magnete verwendetworden.Welcher der acht vorgegebenen Magnete könnte (jeweilsunabhängig voneinander) die Ablenkung verursacht haben?Schreibe die Pole (N oder S) an die jeweils zutreffendenMagnete.

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5. Elektronenstrahlröhre (Braunsche Röhre, Katodenstrahlröhre)Die folgende Zeichnung zeigt den schematischen Aufbau einer Elektronenstrahlröhre.(Dargestellt ist nur ein Schema von mehreren Möglichkeiten)

a) Benenne die Hauptbestandteile 1 bis 7.b) Erkläre anhand der entsprechenden Bauteile, wie der Elektronenstrahl erzeugt wird

und an der richtigen Stelle auf den Bildschirm trifft.c) Gib die Polung der Spannungen an den Ablenkplatten, sowie die Polung der Beschleunigungsspannung an, damit der Strahl am Schirm an der Stelle a auftrifft.d) An Stelle des Plattenpaares 2 sollen Magnete verwendet werden. Wie müssen die Pole angeordnet sein, damit die gleiche Ablenkung (zur Stelle a hin) erfolgt?e) Wie kann man den Elektronenstrahl von der Stelle a zur Stelle b führen?f) Gib eine Anwendung der Elektronenstrahlröhre an.

6. Wir verwenden die Braunsche Röhre als Oszilloskop.Erkläre die Entstehung der beiden Bilder am Leuchtschirm.

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Elektromagnetismus, Induktion - Grundlagen

Die folgenden Aufgaben sollen einen kleinen Einblick hinter die Kulissen der Induktion geben.Einige Details gehen über den Stoff der 9. Klasse hinaus, dies wird hoffentlich keinebleibenden Schäden hinterlassen.

1. Ein gerades Leiterstück wird in einem örtlich konstanten homogenen Magnet- feld durch eine äußere Kraft bewegt. Die Bewegung v

θ

erfolgt senkrecht zu den Magnetfeldlinien (siehe Abb. rechts). Was passiert im Leiterstück?

2. Auf einem U-förmigen Leiterbügel liegt alsLeiterbrücke eine gerade Stange (runderQuerschnitt). Die Anordnung befindet sichin einem homogenen, örtlich konstantenMagnetfeld, dessen Richtung senkrechtzu Leiterbügel und Leiterbrücke ange-ordnet ist (siehe Abb. rechts).Nun wird die Leiterbrücke nahezu reibungs-frei auf dem Leiterbügel nach rechts gerollt.Die magnetischen Feldlinien werden dabeisenkrecht „geschnitten“.Beschreibe die physikalischen Effekte,wenn sich die Leiterbrücke nach rechts bewegt.

3. Im homogenen Magnetfeld eines Hufeisen-magneten ist ein gerades Leiterstück anzwei Drähten so aufgehängt, dass es frei hin-und herschwingen kann wenn man es mitder Hand aus der Ruhelage auslenkt unddann loslässt (siehe Abb. rechts).

Beschreibe und begründe mithilfe physikalischerFachbegriffe die Auswirkungen auf dasLeiterstück (Ladung, Polarität, Induktion).

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4. a) Eine Leiterschleife wird senkrecht zu den Feldlinien durch ein räumlich begrenztesMagnetfeld bewegt (siehe zwei „Momentaufnahmen“ unten).

Zeichne jeweils an den entscheidenden Stellen der Leiterschleife den Elektronen-überschuss, den Elektronenmangel sowie die Richtung eines möglichen Induktions-stroms ein

b) Nenne drei Möglichkeiten, wie man im obigen Versuch eine besonders große Induktionsspannung erzeugen kann.

5. Eine rechteckige Leiterschleife der Seitenlänge a wird mit konstanter Geschwindig-keit senkrecht durch zwei räumlich begrenzte Magnetfelder gezogen. Beide Feldersind entgegengesetzt gerichtet, aber vom Betrag gleich stark.

Zeigt das Messgerät in der gezeichneten Position eine Spannung an? Begründe ausführlich.

6. Durch eine Leiterschleife fließt Strom. Sie wird dadurch mit einer Kraft F in ein Magnetfeld hineingezogen. Ergänze die Zeichnung mit den Angaben zur Kraftrichtung, der technischen Stromrichtung, sowie Plus- und Minuspol. (Die Feldlinien verlaufen senkrecht zur Leiterschleifenebene)

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Elektromagnetismus, Induktion

1. An eine Spule mit Eisenkern (Elektromagnet)wird eine Spannung angelegt.Eine Kompassnadel richtet sich nach demMagnetfeld der Spule aus. Zeichne die Pole des Elektromagneten sowiedie Pole der Spannungsquelle ein.Hinweis: Die dunkle Spitze der Kompassnadel ist der Nordpol.

2. Die Skizze zeigt eine drehbar gelagerteLeiterschleife im Magnetfeld einesDrehspulinstruments.a) In welche Richtung bewegt sich

der Zeiger?b) Trage an den Stellen a bis c jeweils

dort Kraftpfeile ein, wo Kräfte aufden Leiter wirken.

c) Was könnte man ändern, damit derZeiger in die entgegengesetzteRichtung ausschlägt.

3. Die nebenstehend abgebildete Leiterschleife ist drehbar gelagert. In der gezeichnetenPosition steht sie parallel zu den Polflächeneines Magneten.Gib für die Leiterstücke a bis d jeweilsdie Richtung der Kraft an, die an dieserStelle auf den Leiter wirkt (Kraftpfeileeinzeichnen).Entscheide dann, ob und in welcheRichtung sich die Leiterschleife dreht.

4. Formuliere das Induktionsgesetz kurz, aber in ganzen Sätzen.

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5. Ein geschlossener Ring aus Aluminiumist an zwei langen Fäden aufgehängt.Nun wird ein weit entfernter Stabmagnetzügig bis zum Ring geschoben; der Magnetbewegt sich danach nicht mehr.a) Beschreibe ausführlich was geschieht.b) Erkläre die Beobachtung und begründe eine Bewegung des Alu-Rings mithilfe einer zutreffenden physikalischen Regel.c) Trage in die Zeichnung rechts Feldlinien und Stromrichtung für die gezeichnete Position des Alu-Rings ein.d) Was würde passieren, wenn der Ring aus Kupfer anstatt aus Aluminium wäre?e) Der Ring wird an einer Stelle so durchtrennt, dass ein schmaler Spalt entsteht. Obiger Versuch wird nun wiederholt. Beschreibe und erkläre kurz, was bei diesem Versuch beobachtet werden kann.

6. Pendelversuch in Anlehnung an das Waltenhofen-Pendel*:Ein Kupferring wird über eine lange Stangeso aufgehängt, dass er frei pendeln kann.Senkrecht zur Pendelebene ist ein starkes,räumlich begrenztes Magnetfeld vorhanden(hier in die Blattebene hinein gerichtet).a) Welches Verhalten des Pendels kann man beim Durchqueren des Magnet- feldes beobachten? Erkläre und begründe das Verhalten des Pendels vom Eintritt bis zum Verlassen des Magnetfeldes Stichwörter: Induktion, Lorentz-Kraft, Lenz’sche Regel, Wirbelstromb) Was würde passieren, wenn der Ring aus Aluminium anstatt aus Kupfer wäre?c) Nenne zwei technische Anwendungen, bei denen das hier besprochene physikalische Prinzip umgesetzt wird.(*Professor Adalbert von Waltenhofen, 1828 – 1914; österreichischer Physiker)

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1. a) Unter welcher Voraussetzung tritt in einer Spule eine Induktionsspannung auf?b) Wovon hängt die in einer Spule auftretende Induktionsspannung ab?

2. a) Wie lautet die Lenzsche Regel?b) Die Lenzsche Regel stimmt mit dem Energieerhaltungssatz überein. Warum?

3. a) Was sind Wirbelströme und wie entstehen sie im Allgemeinen? Kurze Definition!b) Nenne Beispiele für technische Anwendungen bei denen das Auftreten von Wirbelströmen genutzt wird.c) Wo sind Wirbelströme unerwünscht und durch welche Maßnahmen kann erreicht werden, dass nur geringe Wirbelströme entstehen?

4. Was versteht man unter einer Feldspule, was unter einer Induktionsspule?

5. Dir stehen 5 m isolierter Kupferdraht, ein kleines Lämpchen und ein Stabmagnetzur Verfügung. Wie kannst du damit das Lämpchen kurzzeitig zum Leuchten bringen?Skizziere die Anordnung.

6. Für einen Versuch sind auf einem Weicheisenkern zwei Spulen - Feldspule A undInduktionsspule B - angeordnet (vgl. Skizze). Der Schalter S ist zunächst geschlossen.Spule A ist beweglich, Spule B feststehend.a) Nenne drei Möglichkeiten der Erzeugung einer Induktionsspannung in Spule B. Begründe deine Vorschläge.b) Wie kann in der Induktionsspule B eine möglichst hohe Spannung induziert werden?

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1. a) Auf einem Laborwagen ist eine Spule befestigt. Ihre Wicklungsenden sindmiteinander verbunden (sie ist also kurzgeschlossen). Der nahezu reibungsfreirollende Wagen wird von Hand schnell auf einen ortsfesten Hufeisenmagnetenzubewegt und über den freien Schenkel geschoben.Formuliere deine Beobachtungen bei diesem Versuch (mit Begründungen).

b) Welche Energieumwandlungen finden während der Annäherung der Spule an denMagneten statt?

c) Nachdem sich die Spule über dem Schenkel des Hufeisenmagneten befindet, wirdsie (aus der Ruhe) in die entgegengesetzte Richtung bewegt und in ihre altePosition zurück geschoben.Beschreibe und erkläre was dabei passiert.

d) Was würde sich ändern, wenn bei den Versuchen in Abschnitt a) und c) jeweilsder Schalter S geöffnet wäre?

e) Welche Änderungen beim Versuchsaufbau oder der Versuchsdurchführung könntenzu einer höheren Induktionsspannung führen? Gib drei Möglichkeiten an.

f) Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Annähern der Spule an den Magnetenein Nordpol? Begründung angeben.

Auf welcher Seite der Spule entsteht beim Trennen von Spule und Magnet einSüdpol? Begründung angeben.

2. Generatorprinzip (linkes Bild) und elektromotorisches Prinzip (rechtes Bild):In einem Magnetfeld wird durch eine In einem Magnetfeld bewegen sichmechanische äußere Kraft ein Leiter Elektronen eines Leiters infolge einerquer zur Magnetfeldrichtung bewegt. Spannung quer zur Magnetfeldrichtung.Daraus entsteht eine elektr. Spannung. Daraus entsteht eine Bewegung des Leiters!Zeichne jeweils die magnetischen Feldlinien ein und kennzeichne die Richtung desStromflusses (linkes Bild) bzw. die Bewegungsrichtung des Leiters (rechtes Bild).

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3. Ein Stabmagnet fällt durch die mit einem Strommessgerätkurzgeschlossene Spule. Kreuze alle richtigen Aussagen an.

Durch das Messgerät fließt ein Strom.Durch das Messgerät fließt kein Strom.Der Magnet wird in der Spule abgebremst.Der Magnet wird in der Spule nicht abgebremst.

Welche Aussagen über die Stromrichtung und das magnetischeVerhalten der Spule beim Durchfallen des Magneten sind richtig?

Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magnetenein Südpol.

Bei A entsteht an der Spule beim Eintauchen des Magnetenein Nordpol.

Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom vonA nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A.

Beim Eintauchen des Magneten in die Spule fließt Strom vonA nach B, beim Verlassen des Magneten von B nach A.

4. Generator – Spannungserzeugung durch Bewegung Das Bild zeigt den Versuchsaufbau eines Generators.Die Leiterschleife wird durch eine Kraft von außen (als Kurbel angedeutet) zwischenden Polen eines Magneten gleichmäßig um eine Achse im Uhrzeigersinn gedreht.

a) Ergänze die Zeichnung durch Feldlinien und die technische Stromrichtung in derLeiterschleife.

b) Warum muss beim Drehen der Kurbel mechanische Arbeit verrichtet werden?c) Skizziere die zeitliche Veränderung der Spannung als Graph einer Funktion.d) Erläutere und begründe, in welcher besonderen Stellung der Leiterschleife die induzierte Spannung maximal bzw. null ist (Skizze anfertigen.).

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1. ElektromotorBeschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines Gleichstrommotors.Welchen Zweck hat der Kommutator?Erkläre seine Funktion anhand einer Skizze.

2. Transformatora) Welchen Zweck hat ein Transformator?b) Erkläre die Funktionsweise eines Transformators. Fertige dazu eine beschriftete Skizze zum Aufbau eines Trafos an.c) Was versteht man unter einem unbelasteten, was unter einem belasteten Trafo?d) Die Primärspule mit Pn 400< liegt an 230 V Wechselspannung. Berechne jeweils die Sekundärspannung für folgende Sekundärspulen (i) Sn 12 000<

(ii) Sn 30< Gib für jede Variante ein Anwendungsbeispiel.

3. Ein idealer Transformator ist an das Stromnetz (230 V) angeschlossen. Die Primärspulebesitzt 1840 Windungen.a) Berechne die Zahl der Windungen auf der Sekundärseite, wenn an diesen Trafo ein 4,0 V-Lämpchen angeschlossen werden soll.b) Berechne die Stromstärke durch dieses Lämpchen, wenn sein Widerstand 40ς ist.c) Wie groß ist die Stromstärke auf der Primärseite?

4. a) Die Induktionsspannung in einer Spule ist von verschiedenen Einflussgrößenabhängig. Gib drei dieser Größen an und lege dar, in welcher Weise die Induktions-spannung von den Größen abhängt.

b) Für einen Versuch ist eine Spuleneben einem Elektromagnetenangeordnet. Die Induktionsspuleist beweglich, der Elektromagnetist feststehend (vgl. Skizze).

Welche Möglichkeiten hast du beidiesem Versuch, in der Spule eineInduktionsspannung zu erzeugen?

Begründe kurz deine Aussagen.

c) In einem weiteren Versuchsaufbau lassen wir durch zwei gleich große, senkrechtaufgestellt Röhren mit jeweils 1m Länge - die eine ist aus Plexiglas, die andere ausKupfer - einen starken Magneten fallen.

Formuliere deine Beobachtungen und nimm dazu Stellung.

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1. Versuch:Auf einem sehr leicht beweglichen Wagen ist ein Stabmagnet mit starkem Magnetfeldmontiert. Dicht am Stabmagnet liegt eine Spule mit geschlossenem Stromkreis.Spulenachse und Achse des Magneten fluchten.Formuliere die möglichenBeobachtungen beim raschenEntfernen des Stabmagnetenunter Verwendung physika-lischer Fachbegriffe undRegeln.Ergänze die Skizze sinnvoll.

2. Welche der vier Elektromotor-Varianten läuft kontinuierlich? Kurze Begründung.

3. Generator und Gleichstrommotor sind einander ähnlich. Vergleiche ihren Aufbau undihre Funktionsweise anhand einer Tabelle nach folgendem Schema.Übertrage die Tabelle auf dein Arbeitsblatt.

Gleichstrommotor Generator

Aufbau

Ursache

Wirkung

Energieum-wandlung

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4. a) Der Wirkungsgrad eines Transformators beträgt 96%. Bestimme die Stromstärke im Primärkreis, wenn die Primärspannung 230 V beträgt und der Sekundärseite die Leistung 1,2 kW entnommen wird.b) Der Wirkungsgrad realer Transformatoren liegt unter 100% ( 1γ ; ).

Gib drei mögliche Ursachen für auftretende Energieverluste beim Betrieb einesTransformators an. Welche Maßnahmen können die Energieverluste verringern?

c) Wie verändert sich die Sekundärspannung, wenn man den Primärstromkreis an eine Batterie anschließt? Begründung.

5. Ein Trafo (Primärspule 800 Windungen) ist an 230 V Wechselspannung angeschlossen.Die Spannung an der Sekundärspule beträgt 2,5 kV.a) Skizziere einen Schaltplan.b) Berechne die Windungszahl der Sekundärspule.

6. Erkläre kurz die folgenden Begriffe:a) idealer Transformator,b) realer Transformator,c) unbelasteter Transformator,d) belasteter Transformator,e) Hochstromtransformator,f) Hochspannungstransformator,g) Niederspannungstransformator.

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1. Eine Spule enthält einen Weicheisenkernund ist an ein empfindliches Strommess-gerät angeschlossen.Welche Beobachtungen kann man amStrommessgerät machen,a) während sich der Hufeisenmagnet mit

konstanter Geschwindigkeit der Spulenähert?

b) solange der Hufeisenmagnet amWeicheisenkern anliegt?

c) Beim Abziehen des Hufeisenmagnetenvom Weicheisenkern?

Begründe jeweils deine Antworten.

2. Grundversuch zur SelbstinduktionAn eine Gleichspannungsquelle sind zweiGlühlämpchen L1 und L 2 parallel geschaltet.In Reihe mit L2 befindet sich eine Spule mithoher Windungszahl und geschlossenemEisenkern. In Reihe mit L1 liegt ein regel-barer Widerstand.Der Widerstand wird so eingestellt, dass beigeschlossenem Schalter S beide Lämpchengleich hell leuchten.Zu Beginn des Versuchs ist der Schalter offen.a) Der Schalter S wird geschlossen. Welche Beobachtungen kann man an den

Lämpchen machen?b) Der Schalter S wird geöffnet. Was kannst du an den Lämpchen beobachten?c) Erkläre jeweils deine Beobachtungen.

3. Die Leistung, die ein belasteter Transformator aus der Haushaltssteckdose aufnimmt,beträgt auf der Primärseite 12,0 W. Die Windungszahlen sind Pn 600< und Sn 40< .

a) Berechne die Sekundärspannung SU , wenn die Stromstärke SI 0,85 A< und der Wirkungsgrad mit 92% angegeben sind.

b) Berechne die Stromstärke PI der Primärseite.c) Wie groß ist die Sekundärspannung SU , wenn der Trafo wieder unbelastet ist?

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4. Eine Weihnachtsbeleuchtung (Gesamt-widerstand R) wird über einen Transformatoran das Haushaltsnetz angeschlossen.Die entsprechenden Daten könnennebenstehender Abbildungentnommen werden.a) Berechne die Stromstärke im Primär-

stromkreis bei einem Wirkungsgraddes Trafos von 90%.

b) Berechne die Anzahl der Windungen der Sekundärspule sowie die Leistungsauf-nahme des Trafos.

5. Die elektrische Leistung eines Kraftwerks von 75 MW wird über eine Hochspannungs-leitung übertragen. Der gesamte Leitungswiderstand ist 8,0 ς . Die hochtransformierteSpannung in der Leitung beträgt 220 kV.Wie hoch ist der „Verlust“ an elektrischer Energie in % in der Hochspannungsleitung?

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1. Lernzielkontrolle / ÜbungsaufgabenKlasse 9


Der Transformator

1. Der Transformator eines 230V - Schweißgerätes hat einen Wirkungsgrad von 96%.Er liefert auf der Sekundärseite bei einer Spannung von 11 V einen Strom derStärke 240 A.Kann das Schweißgerät an einer mit 16 A abgesicherten Leitung betrieben werden?

2. In einen Transformator (Wirkungsgrad 95%) werden auf der Primärseite 2,8 kWeingespeist. Die Sekundärspannung beträgt 24 V.Welche Stromstärke steht in diesem Fall an der Sekundärseite zur Verfügung?

3. Ein Transformator soll zum Schmelzen eines dünnen Eisennagels eingesetzt werden. Verwendet wird ein Hochstromtransformator mit einer Sekundärwicklung ausmassivem, dickem Kupferdraht.Die entsprechenden Daten können der nebenstehenden Zeichnung entnommen werden.a) Berechne die Stromstärke durch den Nagel unter der Annahme, dass der Trafo verlustfrei arbeitet.b) Warum ist der Primärstrom kurz nach dem Einschalten höher als 4,0 A?c) Warum schmilzt nur der Nagel und nicht auch die Spule?d) Berechne die Sekundärstromstärke, wenn der Trafo 15% Leistungsverlust aufweist.e) Der schlaue Max möchte die Primärspule an 460 V Gleichspannung anschließen damit der Nagel schneller schmilzt. Ist diese höhere Spannung der Primärseite gleichbedeutend mit einer proportional höheren Stromstärke der Sekundärseite?

4. Elektrische Energie wird im Allgemeinen über große Entfernungen und ein weitver-zweigtes Leitungsnetz vom Erzeuger (Kraftwerk / Elektrizitätswerk) zum Abnehmer(Haushalt) transportiert. Dafür werden u.a. auch Transformatoren eingesetzt.a) Fertige eine prinzipielle Schaltskizze für eine Fernübertragung von elektrischer Energie an (2 Trafos).b) Ein Kraftwerksgenerator gibt seine elektrische Energie über eine Hochspannungs- leitung an einen Transformator ab. Die Sekundärleistung des Transformators liegt bei 6 MW, seine Primärspannung beträgt 24 kV. Die Hochspannungsleitung hat einen Gesamtwiderstand von 40 ς . Der Wirkungsgrad des Transformators soll mit 100% angenommen werden. Berechne den Wirkungsgrad dieser Energieübertragung.

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5. Ein abgelegener Ort in den Bergen ist über eine Hochspannungsleitung an ein kleines Wasserkraftwerk angeschlossen. Im Ort wird aktuell eine Leistung von 24 kW (Netzspannung 230 V) benötigt. An der Hochspannungsleitung vom Kraftwerk liegen20 kV an, ihr Leitungswiderstand beträgt insgesamt 4,0 ς . Der Transformator im Ortsoll als verlustfrei angenommen werden.a) Zeichne eine Schaltskizze mit den gegebenen Werten.b) Berechne die Stromstärke im Ort (Sekundärseite des Transformators) bei der

angegebenen Leistung.c) Berechne die Stromstärke in der Hochspannungsleitung (Primärseite des

Transformators).d) Berechne diejenige Leistung, die nur für die Energieübertragung in der Hoch- spannungsleitung benötigt wird (Energieverlust).e) Um die abgegebene Leistung für den Ort zu erzeugen, müssen im Wasser-

kraftwerk aus 25 m Höhe pro Sekunde 150 Liter Wasser durch die Turbine fließen. Wie groß ist die Bewegungsenergie an der Turbine? Bestimme den Wirkungsgrad des Wasserkraftwerks.

6. Fred der Bastler möchte drei Lämpchen in Parallelschaltung an einen Transformatoranschließen. Zeichne einen Schaltplan für die unten angegebenen Werte. Berechne den Sekundärstrom, den Primärstrom und die elektrische Leistung, die demNetz entnommen wird für folgende technische Daten: Netzspannung: 230 V; Sekundärspannung 12 V; Trafo-Wirkungsgrad: 85% ; Lämpchen 1: 12 V / 0,40 A ; Lämpchen 2: 12 V / 9,6 W ; Lämpchen 3: 12 V / 40 ς .

7. Übertragung elektrischer Energie mit einer Fernleitunga) ohne Transformatoren Für einen Stromkreis vom Kraftwerk zum Verbraucher sind folgende Daten bekannt: Elektrischer Widerstand des Verbrauchers VerbrR 5,0< ς , Spannung beim Verbraucher U 230 V< , Stromstärke im Stromkreis I 80 A< , Gesamter Leitungswiderstand LeitungR 60< ς

(1) Zeichne einen Schaltplan. (2) Berechne die Spannung, die das Kraftwerk bereitstellen muss. (3) Berechne die Leistung, die beim Verbraucher anfällt. (4) Berechne den Leistungsverlust am Leiterwiderstand. (5) Welche Schlussfolgerung kann aus den Ergebnissen von (2) und (3) gezogen werden?

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b) mit Transformatoren Das Kraftwerk gibt eine Leistung von 3 MW bei einer Primärspannung von 12 kV an den Kraftwerkstransformator ab, der die Spannung auf 220 kV hochtransformiert. Der zweite Transformator ist am Ende der Fernleitung beim Verbraucher aufgestellt. Beide Trafos sollen als verlustfrei angenommen werden. Die weiteren (bekannten) Daten sind: Elektrischer Widerstand des Verbrauchers VerbrR 5,0< ς , Spannung beim Verbraucher VerbrU 230 V< , Gesamter Leitungswiderstand LeitungR 60< ς

(1) Zeichne einen Schaltplan mit zwei Transformatoren. (2) Berechne die Stromstärke in der Fernleitung. (3) Berechne den Leistungsverlust am Leiterwiderstand.

8. Das WalchenseekraftwerkZwischen Walchen- und Kochelsee wurde in den Jahren 1918 bis 1924 Deutschlandsgrößtes Speicherkraftwerk gebaut. Wasser aus dem Walchensee kann durch sechsRöhren in den 200 m tiefer gelegenen Kochelsee strömen und dabei die potenzielleEnergie des Walchenseewassers als mechanische Energie an Turbinen undGeneratoren abgeben.Die Gesamtleistung aller 8 Generatoren beträgt maximal 124 MW. Dann strömen proSekunde 384 m Wasser durch die 8 Turbinen. Die effektive Fallhöhe des Wassersist 185 m.a) Wie groß ist der Wirkungsgrad des Walchenseekraftwerks?b) Die Generatoren stellen eine Spannung von 6,6 kV zur Verfügung, die auf 110 kV

hochtransformiert und ins Netz abgegeben wird.Die Weiterleitung der elektrischen Energie von 124 MW erfolgt über eine etwa 60 kmlange Fernleitung (Doppelleitung) nach München. Der Widerstand in jeder Leitungbeträgt 6,0 ς .Berechne die Stromstärke in der Fernleitung.Wie hoch ist der Leistungsverlust in der Leitung?

c) Für die 60 km lange Fernleitung wurde Aluminium verwendet. Berechne denDurchmesser der Leitung.

2mm0,027 m∑ ⌡ς √θ <

d) Das Walchenseekraftwerk ist für eine elektrische Arbeit von durchschnittlich300 Mio kWh pro Jahr ausgelegt (bei 124 MW).Wie viele Stunden „arbeitet“ das Kraftwerk im Durchschnitt am Tag?(365 Tage / Jahr)Hinweis: Elektrische Arbeit: W P t< √

Umrechnung: 1kWh 3600 Ws 3 600 000 J< <

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9. a) Von den Generatoren eines Kraftwerks wird die Leistung 1P 6,5 MW< bei einer Spannung von 1U 12,0 kV< an den Umspanntrafo abgegeben. Der Umspann- trafo transformiert die Primärspannung 1U auf die Sekundärspannung 2U 110 kV< hoch. Dabei soll angenommen werden, dass der Transformator verlustfrei arbeitet. Der Leitungswiderstand in der Fernleitung beträgt insgesamt 9,5 ς . Wie groß ist die in der Fernleitung in Wärme umgesetzte elektrische Leistung?

b) Eine bereits bestehende Fernleitung soll zukünftig die doppelte elektrische Leistung übertragen. Hierbei soll die Hochspannung - wie bisher - gleich bleiben. Wie ändert sich in diesem Fall der Leistungsverlust (Wärmeabgabe an die Umgebung) in der Fernleitung? Begründen Sie durch allgemeine Überlegungen.

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