Aufgabe Vorschlag B1 - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Physik GK 2022

2.1.1 Zeichnen Sie in Material 3 die Richtung der magnetischen Feldlinien zwischen den Schenkeln des Hufeisenmagneten ein und zeichnen Sie am Spannungsmessgerät die Polung der Induktionsspannung ein, die beim Schwingen der Leiterschaukel nach rechts entsteht.

Lösung: Die Richtung der magnetischen Feldlinien verläuft vom Nordpol (N, oben) zum Südpol (S, unten). Am vorderen Anschluss des Spannungsmessgeräts entsteht der negative Pol (Minuspol) und am hinteren der positive Pol (Pluspol).

2.1.1 Erklären Sie das Zustandekommen der Spannung in der Leiterschaukel und die von Ihnen eingezeichnete Polung der Spannung.

Lösung: Die magnetischen Feldlinien verlaufen vom Nord- zum Südpol. Bewegen sich die Elektronen im unteren Leiter mit dem Leiter nach rechts durch das Magnetfeld, so wirkt auf sie eine Lorentzkraft aus der Zeichenebene heraus. Dadurch entsteht eine Spannung mit dem negativen Pol am vorderen Ende des Leiters.

2.1.1 Erklären Sie, in welchen Phasen der Schwingung die Spannung ihren maximalen Betrag besitzt.

Lösung: Die Lorentzkraft und damit auch die Spannung haben jeweils den maximalen Betrag, wenn die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den magnetischen Feldlinien ihren maximalen Betrag hat. Dies ist beim Durchgang der Leiterschaukel durch ihre Gleichgewichtslage der Fall.

2.1.2 Berechnen Sie die maximale Spannung, die beim Schwingen der Leiterschaukel entsteht, unter den Annahmen, dass die wirksame Leiterlänge 1,5 cm beträgt und der Leiter sich mit einer maximalen Geschwindigkeit von 0,1 m/s senkrecht zu den Feldlinien des homogenen Magnetfelds mit der Flussdichte 50 mT bewegt.

Lösung: $7{,}5\cdot 10^{-5}$ V / $0{,}075$ mV / $75$ µV

2.2 Erklären Sie das Auftreten der Spannung mit wechselndem Vorzeichen.

Lösung: Das Außenfeld des Hufeisenmagneten ist nicht homogen. Wenn sich der Magnet aus der Leiterschaukel heraus bewegt, verändert sich der magnetische Fluss, der die Fläche der Leiterschaukel durchsetzt. Dadurch wird eine Spannung induziert. Wird der Magnet in die Gegenrichtung bewegt, so wechselt die Veränderung des magnetischen Flusses das Vorzeichen. Es wird entsprechend eine Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen induziert. (Die Spannung wechselt also die Polung.)