Anwendungen von Induktion und Selbstinduktion
Dieses Buch unterstützt einen Lernzirkel zu Anwendungen der Induktion.
Table of Contents
- Einführung
- Ablauf des Lernzirkels
- Schlüssige Argumentationsketten mit dem Blockschema
- Anwendungen
- Berührungslose Sensoren
- Metalldetektoren
- Wirbelstrombremsen
- Transformatoren
- Wireless charger
- Erzeugung von Wechselspannung
- Weidezäune und Spannungsschutz
- Für Schnelle
- Aufgabe für Schnelle
Ablauf des Lernzirkels
Im Zimmer finden Sie verschiedene Stationen aufgebaut. Gehen Sie diese Stationen in beliebiger Reihenfolge durch. An jeder Station lernen Sie eine Anwendung der Induktion bzw. Selbstinduktion kennen. Bei den meisten Stationen sollen Sie auch einen kleinen Versuch durchführen. Außerdem liegt an jeder Station ein QR-Code, der Sie direkt zu der entsprechenden Geogebra-Seite bringen kann. Bearbeiten Sie jede der Stationen, indem Sie den Anweisungen an der Station folgen.[br][br]Stellen Sie sicher, dass Sie am Ende der Stunde alle Stationen besucht haben. Wenn Sie deutlich schneller als andere Gruppen fertig sind, lösen Sie die Aufgabe unter der Rubrik "für Schnelle". Eine Musterlösung zur Aufgabe finden Sie dort ebenfalls.[br][br][color=#ff0000]Lassen Sie alle Stationen so zurück, wie Sie sie vorgefunden haben. Verändern Sie ohne Anweisung ihrer Lehrkraft nichts! Melden Sie sich bei ihrer Lehrkraft, wenn Sie Probleme haben oder doch etwas ausprobieren möchten. Ihre Lehrkraft kann dann entscheiden, ob man ihre Idee durchführen sollte.[br][br][/color]Fangen Sie mit dem Lernzirkel hier an: [url=https://www.geogebra.org/m/rpgnwgpf#material/atwfs4xh]Schlüssige Argumentationsketten mit dem Blockschema[/url]. Danach geht es dann erst mit den Stationen richtig los.
Berührungslose Sensoren
Anwendungsbereiche
In vielen Bereichen der Technik sind berührungslose Sensoren notwendig: Möchte man z.B. die Drehgeschwindigkeit eines Zahnrads (z.B. für die Tacho-Anzeige im Auto) messen, würde ein mechanischer Sensor stören. Dieser würde die Reibung am Zahnrad erhöhen, so dass dieses gebremst werden würde. Dies würde die Maschine verschleißen und ihre Effizienz verringern.[br][br]Auch in der Musik spielen solche Sensoren eine wichtige Rolle: Bei E-Gitarren überträgt die Saite den gespielten Ton über einen Sensor in einen Verstärker. Auch dieser Sensor ("Tonabnehmer") muss berührungslos funktionieren, um die Akustik der Gitarre nicht zu verzerren.
Aufbau eines Tonabnehmers
Modellversuch
Vor ihnen finden Sie einen Modellversuch eines Tonabnehmers. Vergleichen Sie den obigen Aufbau eines echten Tonabnehmers mit dem Modellversuch!
Identifizieren Sie die einzelnen Bauteile: Was sollen der Nagel bzw. das Eisenplättchen darstellen? Was soll das Voltmeter darstellen?
Versuch
Nehmen Sie sich nun das Plättchen und schwingen damit vor der Spule hin und her. Dies soll die schwingende Saite simulieren. Variieren Sie ihre Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude. Beobachten Sie, wie sich dies auf die Anzeige am Voltmeter auswirkt.
Erklären Sie die Funktionsweise des Tonabnehmers ("Wie erkennt die E-Gitarre den Ton und die Lautstärke einer Schwingenden Saite?") mit einer schlüssigen Argumentationskette! Erstellen Sie dazu ein Blockschema und vergleichen dieses mit der Musterlösung.
Wiederholen Sie nun den Versuch mit dem Nagel statt mit der Eisenplatte! [br][br]Begründen Sie kurz, warum die Spannungswerte beim Nagel nicht so groß sind. Folgern Sie daraus außerdem eine technische Anforderung an das Voltmeter in einer E-Gitarre!
Zahnradsensoren
Übertragen Sie mit Hilfe des folgenden Aufbaus ihr erworbenes Wissen auf Zahnradsensoren!
Erklären Sie kurz, wie der Zahnradsensor die Drehzahl des Zahnrades messen kann!
Fertig?
Sind Sie mit allem Fertig? Alles verstanden? Dann haken Sie diesen Bereich auf ihrem Laufzettel ab und machen Sie bei den anderen [url=https://www.geogebra.org/m/rpgnwgpf#chapter/1145402]Anwendungen[/url] weiter. Haben Sie alle Anwendungen durch? Dann machen Sie sich an die [url=https://www.geogebra.org/m/q6ex5sja]Aufgabe für Schnelle[/url].[br][br](Auf Seite 122 im Buch finden weitere Informationen zu berührungslosen Sensoren)
Aufgabe für Schnelle
[i]Bearbeiten Sie die folgende Aufgabe! Nach jedem Aufgabenteil finden Sie eine Musterlösung. Bearbeiten Sie die Aufgabe schriftlich und geben Sie dann zur Anzeige der Musterlösung einfach irgendeinen Buchstaben in das Eingabefeld ein und klicken dann auf "Antwort überprüfen".[br][br]Hinweis: Bei dieser Aufgabe wird davon ausgegangen, dass Sie alle Inhalte des Lernzirkels[br]verstanden haben![/i][br][br][br]
Aufgabe
Der Agrarwirt Hubert A. möchte seine Schafe mit einem selbstgebauten[br]Weidezaun einzäunen. Auf einer Website über Weidezäune findet er folgenden Rat:[br][br]„[b]Je nach Tierart kommen unterschiedliche Geräte in Frage.[br]Pferde, Rinder, Schweine, Hunde, Katzen und andere Haustiere sind[br]"leichter zu hüten". Man kommt hier mit normalen Elektrozaungeräten[br]aus. Die Tiere sind meist den Elektrozaun gewöhnt, haben kürzeres Fell und[br]spüren daher den Impuls mehr. Die Spannung am Zaun sollte dennoch 2000 Volt[br](Mindesthütespannung) nicht unterschreiten – ansonsten neigen diese Tiere zum[br]Ausbrechen.[br][br]Freilebende Wildtiere aber auch Schafe, Ziegen und Geflügel[br]sind "schwer zu hüten". Hier sollten sehr leistungsstarke[br]Weidezaungeräte zum Einsatz kommen. Diese Tiere sind meist keinen Elektrozaun[br]gewöhnt, zusätzlich besitzen sie noch ein dichtes Fell, so dass sie gegenüber[br]den Stromstößen sehr unempfindlich sind. In diesem Fall kann nur ein[br]Elektrozaun mit ausreichend hoher Spannung für die nötige Hütesicherheit[br]sorgen. Diese Spannung sollte ca. 4000 Volt nicht unterschreiten.[br][br]Geräte mit kleiner Impulsenergie (unter 1,0 Joule) sind für[br]leicht zu hütende Tiere geeignet. Diese Elektorzaungeräte sind für kleinere[br]Einzäunungen mit keinen bzw. wenig Bewuchs geeignet. Weidezaungeräte mit[br]mittlerer Impulsenergie (bis ca. 5 Joule) sind für schwer zu hütende Tiere[br]geeignet. Der Elektrozaun sollte eine mittlere Länge haben bei normalen bis[br]mittleren Grasbewuchs. Sehr schlagstarke Weidezaungeräte mit einer hohen[br]Impulsenergie (über 5 Joule) sind für schwer zu hütende Tiere geeignet.“[/b][br]
Aufgabe a)
Entscheiden Sie, welche Energie und welche Spannung der Weidezaun „liefern“ sollte.[br][br][br]
Aufgabe b)
Hubert möchte sein Weidezaungerät über einen selbstgebauten Trafo mit dem Stromnetz betreiben. Dort liegt eine Spannung von 230 V an. Berechnen Sie wie groß die Windungszahl der Sekundärspule maximal sein darf, wenn Hubert als Primärspule eine Spule mit 500 Windungen verwendet und das Weidezaungerät eine Betriebsspannung von 9V erfordert.
Aufgabe c)
Das Weidezaungerät selbst soll zur Erzeugung der Elektroschocks auch mit einer Spule arbeiten. Beurteilen Sie durch Rechnung, ob eine Spule mit der Windungszahl 10000, dem Widerstand [math]8,5\Omega[/math]und der Induktivität 10 H für die Weidetiere geeignet ist, indem Sie die Entladeenergie des Weidezauns berechnen! [br][br][br]
Aufgabe d)
Hubert möchte den Einschaltvorgang mit einer Sägezahnspannung simulieren. Statt eines Schalters, welcher ein- und ausgeschaltet wird, wird also die Stromstärke regelmäßig von einem Maximalwert gleichmäßig auf 0 heruntergeregelt (siehe Diagramm).
Berechnen Sie, wie lange es dauern darf bis der Strom von seinem Maximalwert auf 0A heruntergeregelt wird, damit eine Spannung von 4000 V induziert wird! Berechnen Sie damit die Frequenz, die dieser „Sägezahnstrom“ haben muss. [br][br][br]
Aufgabe e)
Begründen Sie mit dem Diagramm aus Aufgabe d), warum bei Huberts Weidezaun noch eine zweite, viel höhere Spannung induziert wird!