Aufgaben:
1. Der Radius der Sonne beträgt das 109fache des Erdradius (RS = 109 RE), ihre Masse das 330 000fache der Erdmasse (MS = 330 000 ME).
Ermitteln Sie aus diesen Werten die Gravitationsfeldstärke der Sonne
a) an ihrer Oberfläche und
b) am Ort der Erde (mittlere Entfernung Erde–Sonne r = 149,5 Millionen km).
2. Eine Wolke, die waagerecht 500 m über dem Erdboden schwebt, hat eine flächenhafte Ausdehnung von 10 000 m2. Sie ist positiv geladen und hat gegenüber der Erde eine Spannung von 2 Millionen Volt. Das herrschende elektrische Feld sei homogen.
a) Berechnen Sie die Feldstärke, die Flächendichte der Ladung und die Ladung selbst.
b) Das System Wolke – Erdoberfläche kann man als einen Kondensator auffassen.
Berechnen Sie die Kapazität. (Bestimmen Sie sie auf zwei Arten!)
c) Beurteilen Sie physikalisch den Ratschlag, sich bei Gewitter auf freiem Feld niemals aufrecht zu bewegen oder unter einen Baum zu stellen. Gehen Sie dabei auf den Verlauf der Feldlinien und Äquipotenziallinien ein.
d) Erläutern Sie, warum Sie dagegen in einem geschlossenen Kraftfahrzeug gegen Blitzschlag weitgehend geschützt sind.
3. Die Flussdichte eines homogenen magnetischen Feldes wird mithilfe einer Drahtschleife mit der wirksamen Länge 50 cm gemessen, durch die ein Strom von 5 A fließt. Dabei wirkt auf die Drahtschleife, deren Fläche senkrecht auf den Feldlinien steht, eine Kraft von 0,15 N.
a) Berechnen Sie den Wert der magnetischen Flussdichte und die Feldstärke.
b) Berechnen Sie die Anzahl der Windungen pro Meter, welche die Erregerspule haben muss, wenn sie von einem Erregerstrom Ierr = 2,4 A durchflossen wird.
c) Ein 1 m langer Draht wird in der Mitte „gefaltet“ und zu einer Spule zusammengerollt. Erklären Sie, warum hier kein Magnetfeld entsteht, wenn die Drahtenden A und B an eine Spannungsquelle angeschlossen werden.
4. In einer Fernsehröhre werden die Elektronen auf die Endgeschwindigkeit v = 60 000 km/s beschleunigt und treten dann in ein elektrisches Querfeld der Stärke E = 25 000 V/m ein, wo sie nach oben abgelenkt werden.
a) Berechnen Sie die horizontale Beschleunigungsspannung.
b) Berechnen Sie die Kraft, mit welcher ein Elektron im Querfeld abgelenkt wird.
c) Die gleiche Ablenkungskraft wie in b) kann auch durch ein magnetisches Querfeld auf das Elektron ausgeübt werden. Geben Sie die Richtung an, (nach oben, unten, vorn oder hinten) welche dieses haben muss, und berechnen Sie die Fluss
dichte.
5. Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, einer Primärspule und einer Sekundärspule, die auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind. Legt man die Primärspule an eine Wechselspannung U1, so entsteht an der Sekundärspule die
Spannung U2, deren Größe vom Verhältnis der Windungszahlen n1 : n2 abhängt (Abb. G.2 a)).
a) Erklären Sie das Auftreten der Sekundärspannung aus dem Induktionsgesetz.
b) Berechnen Sie den Wert von U2, wenn U1 = 220 V und n1 : n2 = 40 : 1 ist.
c) Wenn die Sekundärspule aus einem Ring besteht, so wird dieser beim Einschalten der Primärspannung fortgeschleudert (wenn der Eisenkern nach Abb. G.2 b) offen ist). Erklären Sie den Vorgang.
6. Die Induktivität einer Spule kann ermitteln werden, indem man sie mit einem Kondensator zu einem geschlossenen Schwingkreis zusammenschaltet und dessen Eigenfrequenz bestimmt.
a) Berechnen Sie den Wert der Induktivität, wenn der Kondensator die Kapazität C = 400 µF hat und die Eigenfrequenz f = 8 Hz beträgt.
b) Berechnen Sie den induktiven Widerstand der Spule und den kapazitiven Widerstand des Kondensators.
c) Berechnen Sie den Wert C ′, auf welchen die Kapazität geändert werden müsste, damit die Eigenfrequenz f ′ = 400 Hz beträgt.
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