Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Elektrobus 2026

Thema: Magnetfeld und elektromagnetische Induktion · Aus der Prüfung GK · Elektrobus (2026)

Aufgabenstellung

Der Elektrobus – Induktives Laden in der E-Mobilität

Die Elektromobilität schreitet voran. Im Jahre 2024 fuhren bereits über 2000 Elektrobusse auf deutschen Straßen. In einigen Städten werden die an Haltestellen stehenden Elektrobusse induktiv geladen.

Material 1: Induktives Laden eines Elektrobusses

Fährt ein Bus an eine Ladestelle, dann positioniert er sich über der im Asphalt eingelassenen flachen, runden Primärspule, die mit einer Wechselspannung betrieben wird (Abb. 1). Zum Laden senkt sich die runde Sekundärspule bis auf eine Distanz von 14 cm zur Mitte der Primärspule in der Straßenoberfläche herab. Der Vorgang ist hier vereinfacht dargestellt, da üblicherweise mehrere Primär- und Sekundärspulen genutzt werden.

Material 2: Verbesserungsvorschlag der Ingenieure zum Elektrobus 2.0

Beim Bau der nächsten Generation der Elektrobusse könnten deutliche Verbesserungen vorgenommen werden. Wenn die Sekundärspule auch nur 1 oder 2 Zentimeter mehr abgesenkt wird, dann erhöht sich die Energieübertragung pro Zeit, das heißt, die elektrische Leistung. Die auf die Sekundärspule übertragene elektrische Leistung PP kann mit P=Uind⋅IP = U_{\text{ind}} \cdot I berechnet werden. Noch effektiver wäre eine direkte Absenkung der Sekundärspule auf den Erdboden. Diese zweite Möglichkeit würde aber zu einer Abnutzung der Sekundärspule führen und Unebenheiten, wie z. B. Steine, könnten zu Problemen, wie dem Kippen der Sekundärspule, führen.

Hinweis: Vereinfachend soll davon ausgegangen werden, dass der Widerstand im Stromkreis der Sekundärspule konstant ist.

1 Die Technik des induktiven Ladens von stehenden Elektrobussen an Ladestationen ist in Material 1 beschrieben.

a)

Erklären Sie das Zustandekommen der Induktionsspannung in der Sekundärspule. [4 BE]

b)

Der Bereich innerhalb der Primärspule soll mit Eisenplatten ausgefüllt werden. Erklären Sie, dass damit eine höhere Induktionsspannung in der Sekundärspule am Bus erreicht werden kann. [3 BE]

c)

Begründen Sie anhand physikalischer Zusammenhänge mit Material 2, dass der dort geschilderte Verbesserungsvorschlag korrekt ist. [4 BE]

Aufgabenstellung: Aufgabe 1 · Abitur NRW Physik GK · Elektrobus 2026

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

a) Erklären Sie das Zustandekommen der Induktionsspannung in der Sekundärspule.

Lösung: Die Primärspule wird mit einer Wechselspannung betrieben. Die Stromstärke in der Primärspule verändert sich somit auch periodisch. Damit ändert sich die magnetische Flussdichte BB der Primärspule periodisch. Also ändert sich in der Sekundärspule auch der magnetische Fluss periodisch, da das Magnetfeld der Primärspule die Sekundärspule durchsetzt und der magnetische Fluss proportional zur Flussdichte ist. Damit wird in der Sekundärspule laut dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert.

b) Der Bereich innerhalb der Primärspule soll mit Eisenplatten ausgefüllt werden. Erklären Sie, dass damit eine höhere Induktionsspannung in der Sekundärspule am Bus erreicht werden kann.

Lösung: Wenn der Bereich innerhalb der Primärspule mit Eisenplatten ausgelegt wird, dann wird bei gleicher Wechselspannung das Magnetfeld stärker, so dass der magnetische Fluss und somit auch die Magnetfeldänderung in der Sekundärspule größer ist. Damit ist auch die Induktionsspannung in der Sekundärspule am Bus größer.

c) Begründen Sie anhand physikalischer Zusammenhänge mit Material 2, dass der dort geschilderte Verbesserungsvorschlag korrekt ist.

Lösung: Ein tieferes Absenken der Sekundärspule trägt dazu bei, dass die magnetische Flussdichte, die die Sekundärspule durchsetzt, ansteigt, da die magnetische Flussdichte der Primärspule tendenziell mit dem Abstand abnimmt. Damit wird eine größere Induktionsspannung in der Sekundärspule erreicht, da so eine stärkere Änderung der magnetischen Flussdichte vorliegt. Wenn die induzierte Spannung in der Sekundärspule ansteigt, steigt auch die daraus resultierende Stromstärke. Mit P=Uind⋅IP = U_{\text{ind}} \cdot I ergibt sich entsprechend, dass die Energieübertragung pro Zeit (Leistung) zunimmt.

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