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Aufgabe

Drehen eines Dynamos

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

von Tympanus (Eigenes Werk) [CC0], via Wikimedia Commons

Flexon macht die folgende Versuchsreihe:

Er dreht das Vorderrad seines Fahrrades mit einer bestimmten Drehzahl von Hand.

Nun lässt er die Fahrradlichtmaschine (Dynamo) vom Vorderrad antreiben, hat aber die Beleuchtung noch abgeklemmt. Er dreht das Vorderrad mit der gleichen Geschwindigkeit wie beim 1. Versuch.

Nun schließt er an den Dynamo noch die Beleuchtung an und dreht wieder so schnell wie vorher.

Begründe, warum sich Flexon bei seinen Versuchen in der dargestellten Reihenfolge immer mehr anstrengen muss.

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Beim 1. Versuch muss Max nur die Lagerreibung des Fahrrades und die Luftreibung überwinden. Diese sind aufgrund der eingebauten Kugellager und der nicht allzu hohen Drehgeschwindigkeit gering, also braucht er nur eine kleine Kraft, um eine bestimmte Drehzahl aufrecht zu erhalten.

Im 2. Versuch reibt der Dynamo am Vorderrad. Der Magnet des Dynamos muss mitgedreht werden. Hierfür ist ein höherer Kraftaufwand notwendig als beim 1. Versuch.

Beim letzten Versuch wird die Lichtanlage des Fahrrades mitbetrieben. Schon eine energetische Betrachtung zeigt, dass für die Aufrechterhaltung der Drehfrequenz jetzt mehr mechanische Arbeit verrichtet werden muss, da zusätzlich elektrische Energie bereitzustellen ist.

Man kann den erhöhten Kraftaufwand aber auch mit der Regel von LENZ erklären:

Bei angeschlossener Beleuchtung fließt ein Induktionsstrom durch die Spule der Fahrradlichtmaschine. Dieser Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht. Dies bedeutet, er verursacht ein Magnetfeld, das die Rotationsbewegung des Dauermagneten im Dynamo hemmt.