Aufgabe Vorschlag A2 - Aufgabe 3 · Abitur Hessen Physik LK 2022

Thema: Magnetfeld und elektromagnetische Induktion · Aus der Prüfung LK (2022)

Aufgabenstellung

Hall-Effekt und Induktion am Beispiel der Stromzange

Mit einer Stromzange (Material 1) kann die Stromstärke in einem Leiter kontaktlos gemessen werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Dies geschieht über die Messung des um den Leiter erzeugten Magnetfelds. In der Stromzange befindet sich ein Metallring mit dem Radius rRing=2 cmr_{\text{Ring}} = 2\text{ cm} und der Permeabilitätszahl μr=2000\mu_{\text{r}} = 2000, der konzentrisch um den Leiter geschlossen wird. Um ein Teilstück des Metallrings ist eine Spule gewickelt. Zusätzlich ist im Metallring eine Hall-Sonde eingelassen. In den folgenden Aufgaben soll die Funktionsweise genauer untersucht werden. Von möglichen Einflüssen der übrigen Teile der Stromzange ist dabei abzusehen.

Material 1

a) Aufbauskizze einer Stromzange um einen stromdurchflossenen Leiter

b) Stromzange während des Messvorgangs

URL: https://www.benning.de/produkte/pruef-und-messtechnik/digital-stromzangen/pr%C3%A4zisions-stromzange-cm-11.html (abgerufen am 29.03.2021).

Ein Gurterkennungssystem prüft in einem Fahrzeug, ob ein Sicherheitsgurt geöffnet oder geschlossen ist. In Material 6a ist ein System skizziert, welches mit einer Hall-Sonde arbeitet. In Material 6b ist ein System skizziert, welches mit einer Spule arbeitet.

Ein Gurterkennungssystem soll die beiden folgenden Bedingungen erfüllen:

Das System muss zwischen Öffnen und Schließen des Gurtes unterscheiden können.

Das System muss zu jedem Zeitpunkt in der Lage sein, den aktuellen Zustand des Gurtes (geschlossen oder offen) zu erkennen.

Material 6

a) Gurterkennungssystem mit Hall-Sonde

b) Gurterkennungssystem mit Spule

Hinweis: Die Aufbauskizzen stellen nicht alle benötigten Bauteile und elektrischen Verbindungen dar, die für die tatsächliche Erkennung des Gurtes notwendig sind.

Erläutern Sie, wie das Öffnen und das Schließen des Gurtes in den Systemen aus Material 6a und 6b jeweils erkannt werden kann.

Untersuchen Sie, ob beide Systeme jeweils die beiden oben angegebenen Bedingungen erfüllen.

Aufgabenstellung: Aufgabe Vorschlag A2 - Aufgabe 3 · Abitur Hessen Physik LK 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Erläutern Sie, wie das Öffnen und das Schließen des Gurtes im System mit Hall-Sonde (Material 6a) erkannt werden kann.

Lösung: Beim Gurtsystem mit der Hall-Sonde wird bei geöffnetem Gurt durch den unteren Permanentmagneten eine Hall-Spannung erzeugt. Wird der Gurt geschlossen, so befindet sich die Hall-Sonde im Magnetfeld des oberen Permanentmagneten. Da das Magnetfeld dieses Magneten die umgekehrte Richtung besitzt, wird in der Hall-Sonde auch eine umgekehrt gepolte Hall-Spannung registriert. Durch den Wechsel der Polung der Hall-Spannung kann also das Öffnen und Schließen des Gurtes erkannt werden.

Erläutern Sie, wie das Öffnen und das Schließen des Gurtes im System mit Spule (Material 6b) erkannt werden kann.

Lösung: Beim Gurtsystem mit der Spule wird beim Öffnen oder Schließen des Gurtes der Permanentmagnet aus der Spule hinaus-, oder in die Spule hineinbewegt. Dadurch werden zwischen den Enden der Spule Spannungen unterschiedlicher Polarität induziert. Durch Messung der Induktionsspannung kann folglich das Öffnen und Schließen des Gurtes erkannt werden.

Untersuchen Sie, ob das System mit Hall-Sonde (Material 6a) die beiden Bedingungen erfüllt.

Lösung: Das Gurtsystem mit der Hall-Sonde erfüllt die erste Bedingung, da sich aus dem Wechsel der Polung eindeutig ergibt, ob es sich um einen Öffnungs- oder Schließvorgang handelt. Die zweite Bedingung ist auch erfüllt, da sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem Gurt dauerhaft eine Hall-Spannung gemessen wird. Die Polung dieser Hall-Spannung lässt dann wieder eindeutig auf den aktuellen Zustand des Gurtes schließen.

Untersuchen Sie, ob das System mit Spule (Material 6b) die beiden Bedingungen erfüllt.

Lösung: Das Gurtsystem mit der Spule erfüllt die erste Bedingung, da beim Öffnungs- und Schließvorgang jeweils eine unterschiedlich gepolte Induktionsspannung erzeugt wird. Die zweite Bedingung wird nicht erfüllt, da weder bei geschlossenem noch bei geöffnetem Gurt eine Spannung in der Spule induziert wird. Es ist also nicht möglich, zu einem beliebigen Zeitpunkt festzustellen, ob der Gurt geöffnet oder geschlossen ist.

Die ausführliche Erklärung Schritt für Schritt (mit KI) gibt es mit Premium. Premium

Löse sie direkt hier: automatische Korrektur, Hinweise und Lösung Schritt für Schritt.

‹ Aufgabe Vorschlag A2 - Aufgabe 2 · LK 2022 · Aufgabe Vorschlag B1 · GK 2021 ›

Mehr Aufgaben zu Magnetfeld und elektromagnetische Induktion