Aufgabe 2 - Teilaufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

a) • Geben Sie zwei verschiedene Möglichkeiten an, in einer Leiterschleife in einem Magnetfeld eine Induktionsspannung hervorzurufen.

Lösung: Mögliche Ursachen zur Erzeugung von Induktionsspannungen: - Zeitliche Veränderung der (effektiven) Fläche der Leiterschleife im (zeitlich konstanten) Magnetfeld - Zeitliche Veränderung des Magnetfeldes, welches die Leiterschleife durchsetzt

a) • Beschreiben Sie kurz zwei Experimente, mit denen sich die verschiedenen Ursachen für das Entstehen von Induktionsspannungen in einer Leiterschleife im Magnetfeld zeigen lassen.

Lösung: Zwei mögliche Experimente: - Bewegung eines Magneten vor einer Leiterschleife, die mit einem (empfindlichen) Voltmeter verbunden ist (zeitliche Veränderung der Stärke des magnetischen Feldes). - Die Rotation einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld mit angeschlossenem Voltmeter (zeitliche Veränderung der (effektiven) Fläche).

b) Erläutern Sie, auf welche Ursache der Induktionsspannung sich diese Formel bezieht.

Lösung: In der Formel $U(t) = -A \cdot \dot{B}(t)$ wird die Erzeugung einer Induktionsspannung durch die zeitliche Veränderung der Stärke des magnetischen Feldes $B$ beschrieben. Dies erkennt man an dem Faktor $\dot{B}(t)$, der die zeitliche Veränderung von $B$ beschreibt. $A$ ist in diesem Fall die konstante Fläche der Induktionsschleife und nicht veränderlich.

c) Erklären Sie, warum das Voltmeter in beiden Fällen unterschiedlich anzeigt.

Lösung: Wird an Spule 1 eine Wechselspannung angelegt, so entsteht aufgrund des Wechselstroms in der Spule 1 ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Wechselfeld durchsetzt den Eisenkern. Dadurch wird in Spule 3 eine Spannung gemäß der Gleichung $U(t) = -A \cdot \dot{B}(t)$ induziert. Diese induzierte Spannung wird am Voltmeter angezeigt. Wird an Spule 1 eine Gleichspannung angelegt, so baut sich aufgrund des Gleichstroms in der Spule ein konstantes Magnetfeld auf. Dieses Magnetfeld durchsetzt den Eisenkern. Der Aufbau des Magnetfeldes induziert gemäß der Gleichung $U(t) = -A \cdot \dot{B}(t)$ in Spule 3 eine kurzzeitige Induktionsspannung. Das anschließend konstante Magnetfeld führt zu $\dot{B} = 0$ und damit zu keiner weiteren Induktionsspannung, weshalb das Voltmeter zu Beginn einen kurzen Spannungsimpuls anzeigt, der sehr schnell auf null absinkt.