Sinusförmige Wechselspannung
Eine Spule rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Ï in einem homogenen Magnetfeld. Wie hĂ€ngt der magnetische Fluss durch die Spule von der Zeit ab?
ErklĂ€rung: Wirksam ist nur die senkrecht zum Feld stehende FlĂ€che A·cos Ï, und bei gleichförmiger Rotation gilt Ï = Ït. Der Fluss pendelt also kosinusförmig zwischen +B·A und âB·A.
In welcher Stellung der rotierenden Spule ist die induzierte Spannung am gröĂten?
ErklĂ€rung: Nicht der Fluss, sondern seine Ănderungsrate bestimmt die Spannung. Beim Nulldurchgang des Flusses ist die Ănderung maximal â dort liegt der Scheitel von U(t).
Eine Spule (N = 100, A = 0,010 mÂČ) rotiert mit Ï = 100 1/s in einem homogenen Feld mit B = 0,20 T. Berechne die Scheitelspannung Uâ in Volt.
ErklĂ€rung: Uâ = N·B·AÂ·Ï = 100 · 0,20 T · 0,010 mÂČ Â· 100 1/s = 20 V. Die Scheitelspannung wĂ€chst mit jeder der vier GröĂen linear.
Die Netzspannung hat die Frequenz f = 50 Hz. Berechne die Periodendauer T in Millisekunden.
ErklÀrung: T = 1/f = 1/50 s = 0,020 s = 20 ms. In jeder dieser Perioden durchlÀuft die Spannung einen vollen Sinuszug.
Die Scheitelspannung des Haushaltsnetzes betrĂ€gt etwa Uâ = 325 V. Berechne den Effektivwert U_eff = Uâ/â2 in Volt. (â2 â 1,414, auf ganze Zahl gerundet)
ErklĂ€rung: U_eff = 325 V / 1,414 â 230 V â die vertraute Netzspannung ist der Effektivwert, nicht der Scheitelwert.
Ein Multimeter im Wechselspannungsmodus zeigt 230 V an. Welche GröĂe ist das?
ErklÀrung: MessgerÀte zeigen stets Effektivwerte an. Der zeitliche Mittelwert einer Sinusspannung wÀre null und daher als Anzeige unbrauchbar.
Wie sind die Effektivwerte von Wechselspannung und Wechselstrom definiert?
ErklĂ€rung: Im Vergleichsversuch leuchten zwei gleiche LĂ€mpchen an Gleich- und an Wechselspannung gleich hell: gleiche Wirkleistung. Am Oszilloskop zeigt sich dabei Uâ â 1,4·U_Gleich, also U_eff = Uâ/â2.
An einem ohmschen Widerstand liegen U_eff = 230 V an, es flieĂt I_eff = 2,0 A. Berechne die Wirkleistung P in Watt.
ErklĂ€rung: Am ohmschen Widerstand gilt P = U_eff·I_eff = 230 V · 2,0 A = 460 W. Genau dafĂŒr sind die Effektivwerte gemacht â sie rechnen wie GleichstromgröĂen.
Die 230 V des Haushaltsnetzes sind die Scheitelspannung der Sinusschwingung.
ErklĂ€rung: 230 V ist der Effektivwert. Der Scheitel liegt bei Uâ = â2 · 230 V â 325 V â die Momentanspannung ĂŒberschreitet 230 V in jeder Periode.
Den Maximalwert Uâ der sinusförmigen Wechselspannung nennt man ___.
ErklĂ€rung: U(t) = Uâ·sin(Ït) pendelt zwischen +Uâ und âUâ. Der Betrag des Maximums heiĂt Scheitelspannung.
Die Drehfrequenz der Generatorspule wird verdoppelt, B, A und N bleiben unverÀndert. Um welchen Faktor wÀchst die Scheitelspannung? (Antwort als Zahl)
ErklĂ€rung: Uâ = N·B·AÂ·Ï ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit. Der Versuch mit dem t-y-Schreiber zeigt genau diese ProportionalitĂ€t zur Drehfrequenz.
Ein WechselspannungsmessgerĂ€t zeigt U_eff = 12 V an. Berechne die Scheitelspannung Uâ = â2·U_eff in Volt. (â2 â 1,414, auf ganze Zahl gerundet)
ErklĂ€rung: Uâ = 1,414 · 12 V â 17 V. FĂŒr Bauteile zĂ€hlt der Scheitelwert â sie mĂŒssen die 17 V aushalten, nicht nur die angezeigten 12 V.
Warum liefert die gleichmĂ€Ăig rotierende Spule gerade eine sinusförmige Spannung?
ErklĂ€rung: Das Induktionsgesetz U = âNÂ·ÎŠÌ macht aus dem Kosinus des Flusses einen Sinus der Spannung: U(t) = N·B·A·Ï·sin(Ït). Feld und Drehung bleiben dabei völlig gleichmĂ€Ăig.
Bei der Netzfrequenz 50 Hz wechselt die Spannung 100-mal pro Sekunde ihre Polung.
ErklÀrung: Jede Periode enthÀlt zwei NulldurchgÀnge mit Vorzeichenwechsel. Bei 50 Perioden pro Sekunde ergibt das 100 Polungswechsel.