PHYSIK → Klasse 11 & 12 → Magentisches Feld

Einstieg

Die Schüler:innen sollen das Induktionsgesetz anhand einiger ausgewählter Experimente erarbeiten und ebenso das Phänomen der Selbstinduktion experimentell ableiten. Zudem sollen sie die Selbstinduktion anhand einer geeigneten Darstellung mithilfe des Induktionsgesetzes erklären können.
  1. Magnet in Spule Bewegen und Transformator bauen
  2. Thomson'scher Ringversuch

Induktion

Aufgaben

  1. Wie in der Abbildung zu sehen, soll das Leiterstück der Länge \(L\) mit der Geschwindigkeit \(v\) bewegt werden. Die Leiterschlaufe wird dabei von dem Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte \(B\) senkrecht durchstoßen.
    1. Begründe das Entstehen der Induktionsspannung \(U_{ind}\) mithilfe des Induktionsgesetzes \[U_{ind}=-B\frac{dA}{dt}.\]
    2. Begründe, dass der Flächeninhalt \(A(t)\) durch \[A(t)=L\cdot(x_0+v\cdot t)\] gegeben ist, wobei \(x_0\) die Anfangsbreite der Fläche zum Zeitpunkt \(t=0\) ist.
    3. Bestimme aus dem Ausdruck für die Fläche \(A(t)\) die Flächenänderung und damit die Induktionsspannung.
    4. Durch Umstellen erhält man den Ausdruck \[q\frac{U}{L}=-qvB.\] Woran erinnert dich dieser Ausdruck?
  2. Selbstinduktion einer Spule
    Führe das Experiment zur Selbstinduktion einer Spule durch.
    1. Beschreibe anhand folgender Abbildung, wieso es zu einem Induktionsstrom in der Spule nach dem Ausschalten der Spannungsquelle kommt. Gehe dabei auch auf den elektrischen Strom durch die Spule und die magnetische Flussdichte innerhalb der Spule kurz nach dem Ausschalten der Spannungsquelle ein. Tipp: \(B=\mu_0 In/l\)
      Abbau Magnetfeld
    2. Wieso nennt man dieses Phänomen Selbstinduktion?
    3. Erläutere mithilfe der Lenz'schen Regel, warum der Induktionsstrom die selbe Richtung wie der Strom aus der Spannungsquelle haben muss.
    4. Erläutere mithilfe des Induktionsgesetzes \[U=-nA\frac{dB(t)}{dt},\] warum die Spannung der Selbstinduktion so hoch ist.