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

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

Aufgabenstellung

Teilaufgabe 2: Aufbau und Funktionsweise eines FI-Schutzschalters

Ein FI-Schutzschalter enthält drei Spulen, die auf demselben Eisenkern sitzen. Die Spulen 1 und 2 besitzen dieselbe Windungszahl. Abbildung 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines FI-Schutzschalters.

a)

Im Normalbetrieb ist der Prüftaster nicht betätigt, der Schalter ist also offen. Sind die Spulen 1 und 2 gleichläufig gewickelt, zeigt das Voltmeter im Normalbetrieb eine Spannung an. In Abbildung 4 ist der zeitliche Verlauf der magnetischen Feldstärke in Spule 1 und in Spule 2 dargestellt.

Erläutern Sie, aus welchem Grund das Voltmeter an Spule 3 in diesem Fall eine Spannung anzeigt.

[6 Punkte]

b)

In Wirklichkeit sind die Spulen 1 und 2 gegenläufig gewickelt. Abbildung 5 stellt den zeitlichen Verlauf der magnetischen Feldstärke in Spule 1 und in Spule 2 dar.

Erläutern Sie, aus welchem Grund das Voltmeter im Normalbetrieb bei gegenläufiger Wicklung der Spulen keine Spannung anzeigt.

[4 Punkte]

c)

Wird der Prüftaster in Abbildung 3 betätigt, fließt durch Spule 1 kein Strom mehr, sodass allein Spule 2 das Magnetfeld im Eisenkern hervorruft.

• Begründen Sie, warum die Stromstärke in Spule 1 bei betätigtem Prüftaster in Abbildung 3 nur noch nahe null liegt.

[3 Punkte]

• Begründen Sie, warum das Voltmeter bei betätigtem Prüftaster in Abbildung 3 eine Spannung anzeigt.

[3 Punkte]

d)

Ein FI-Schutzschalter hat u. a. die Funktion, uns vor elektrischen Schlägen im Haushalt zu schützen, wenn beispielsweise eine Kabelisolation defekt ist und man daher direkten Kontakt zu den stromführenden Leitungen hat. Abbildung 6 zeigt genauer, wie der FI-Schutzschalter im Stromkreis geschaltet wird, dabei ist auch die Erdungsleitung eingezeichnet. In der Realität wird das Voltmeter durch ein anderes elektrisches Bauelement ersetzt, sodass der Stromfluss unterbrochen wird, wenn das Voltmeter eine hinreichend große Spannung anzeigen würde. Der Fehlerstrom fließt i.d.R. über die Erde ab (vgl. Erdungssymbol am Fuß der Person und an der Erdungsleitung in Abbildung 6), sodass der Stromkreis geschlossen ist. Dabei beschreiben I1I_1 und I2I_2 die Stromstärken in den Spulen 1 und 2.

Würde man die Stromstärken wie in Abbildung 6 gezeigt messen, so erhielte man aufgrund der Parallelschaltung für die Stromstärke IFI_\text{F} des Fehlerstroms

IF=I1−I2.I_\text{F} = I_1 - I_2.

Begründen Sie unter Verwendung von Abbildung 6, warum das Voltmeter eine Spannung anzeigt, sobald ein Fehlerstrom IF≠0I_\text{F} \neq 0 auftritt.

[4 Punkte]

Aufgabenstellung: Aufgabe 2 - Teilaufgabe 2 · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

a) Erläutern Sie, aus welchem Grund das Voltmeter an Spule 3 in diesem Fall eine Spannung anzeigt.

Lösung: Der FI-Schutzschalter wird mit Wechselstrom betrieben. Der Strom fließt durch die beiden Spulen 1 und 2. Die stromdurchflossenen Spulen erzeugen jeweils ein magnetisches Wechselfeld. Da die Spulen vom gleichen Strom durchflossen werden und die gleiche Windungszahl haben, sind die Magnetfelder der beiden Spulen gleich groß. Da die Spulen in gleicher Richtung gewickelt sind, addieren sich ihre Magnetfelder. Der Eisenkern wird deshalb von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt. Dadurch wird in der Spule 3 eine Spannung induziert, die am Voltmeter angezeigt wird.

b) Erläutern Sie, aus welchem Grund das Voltmeter im Normalbetrieb bei gegenläufiger Wicklung der Spulen keine Spannung anzeigt.

Lösung: Da die Spulen in entgegengesetzte Richtung gewickelt sind, heben sich die in Spule 1 und Spule 2 erzeugten Magnetfelder gegeneinander auf. Das resultierende zeitlich konstante Magnetfeld der Stärke null durchsetzt den Eisenkern und die Spule 3, wodurch in der Spule 3 keine Spannung induziert wird. Dadurch zeigt das Voltmeter keine Spannung an.

c) • Begründen Sie, warum die Stromstärke in Spule 1 bei betätigtem Prüftaster in Abbildung 3 nur noch nahe null liegt.

Lösung: Wenn der Prüftaster gedrückt wird, wird die linke Spule 1 kurzgeschlossen. Der Strom fließt daher fast nicht mehr durch die Spulen 1 und 2, sondern fast nur noch durch die rechte Spule 2.

c) • Begründen Sie, warum das Voltmeter bei betätigtem Prüftaster in Abbildung 3 eine Spannung anzeigt.

Lösung: Die linke Spule 1 erzeugt also kein Magnetfeld mehr, sodass das Magnetfeld der rechten Spule 2 nicht aufgehoben wird, sondern den Eisenkern und damit die Auslösespule 3 durchsetzt. Verglichen zum Normalbetrieb ändert sich also das Magnetfeld, welches die Auslösespule 3 durchsetzt. Durch diese Magnetfeldänderung wird eine Spannung in der Auslösespule induziert. Diese kann mithilfe des Voltmeters nachgewiesen werden.

d) Begründen Sie unter Verwendung von Abbildung 6, warum das Voltmeter eine Spannung anzeigt, sobald ein Fehlerstrom IF≠0I_\text{F} \neq 0 auftritt.

Lösung: Wenn ein Fehlerstrom festgestellt wird, dann sind die Stromstärken I1I_1 und I2I_2 nicht mehr gleich groß. Dadurch fließen Ströme mit unterschiedlichen Stärken durch die Spulen 1 und 2. In dem Fall ist das resultierende Magnetfeld, welches den Eisenkern durchsetzt, nicht mehr null und somit wird in der Auslösespule 3 eine Spannung induziert, welche vom Voltmeter angezeigt wird.

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