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Flashcards
Elektrostatik (ruhende Ladungen)
Teilgebiet der Physik, das sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und den elektrischen Feldern geladener Körper befasst
elektrische Ladungen
- zwei Ladungen die sich gegenseitig anziehen
- negative Ladung resultiert aus Elektronenüberschuss
- positive Ladung aus Elektronenmangel
- gleiche Ladungen stoßen sich ab
coulombsche Gesetz
- drückt die kraft aus, die zwischen zwei Ladungen bei einem gewissen Abstand r wirkt
- je größer die Ladung, desto stärker die Kraft
- je größer der Abstand, umso schwächer die Kraft
- eine Einheit Coulomb ist dadurch definiert, dass sie die Menge an elektrischer Ladung darstellt, welche in einer Sekunde durch einen Leiter mit einem Ampere fließt
elektrostatsiches Feld
- Bereich im Raum um 2 Ladungen in dem die Coulombschen Kräfte wirken
- elektrischen Feldlinien verlaufen stets von der psotiven zur negativen Ladung
\(\text {elektrische Feldstärke E} = {\text {coulombsche Kraft F} \over \text {Probeladung Q}} \)
Influenz
Einfluss, den ein geladener Gegenstand auf die in seinem Bereich liegenden Stoffe ausübt
Gleichstrom (bewegte Ladung)
Fluss von Ladungsträgern, können Elektronen aber auch Ionen in einer Salzlösung sein
elektrische Spannung
physikalische Größe, die angibt, wie viel Energie benötigt wird elektrische Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen
\(\text {Spannung U [V]} = {\text { Energie W[J]} \over \text { Elektrische Ladung Q [C]}}\)
Einheit Volt
Stromstärke
geflossene Ladung pro Zeiteinheit
\(\text {Stromstärke I [A]} = {\text {Ladungsmenge Q [C]} \over \text {Zeit t [s]}}\)
Einheit Ampere
elektrische Arbeit
wenn unter Druck der elektrischen Spannung Ladungsträger bewegt werden, wird Arbeit verrichtet
\(\text {Arbeit W [Ws]} = \text {Ladungsmenge [C] * elektr. Spannung [V]} \)
elektrische Arbeit: \(\text {Arbeit W [Ws] = elektr. Stromstärke [A] * Zeit [s] * elektr. Spannung [V]}\)
elektrische Leistung
Arbeit pro Zeiteinheit
\(Leistung [W] = Spannung [V] * Stromstärke [A]\)
Einheit Watt
elektrischer Leiter
- Medium, welches frei bewegliche Ladunsgträger(Elektronen, Ionen) besitzt
- Transport dieser geladenen Teilchen nennt man elektrischen Strom
- man unterteilt leitfähige Materialien in 2 Klassen: Leiter 1. Klasse, Leiter 2. Klasse
Leiter 1. Klasse
- Metalle, Graphit und einige weitere chemische Verbindungen sind sog. Leiter 1. Klasse
- die Leitfähigkeit von Metallen (z. B. gemessen als spezifischer Widerstand) beruht nicht auf der Anzahl der Elektronen auf ihrer Außenschale (Valenzelektronen), sondern ist in erster Linie durch die Gitterstruktur vorgegeben
- Metalle bilden eine Kristallgitterstruktur, in der die Elektronen nur schwach gebunden sind und als Elektronengas angesehen werden können; das heißt, die Elektronen sind mehr oder weniger frei beweglich
- besten elektrischen Leiter sind Silber, Kupfer und Aluminium
Leiter 2. Klasse
- Ionenleiter sind Leiter 2. Klasse
- die Leitfähigkeit entsteht durch Dissoziation (Aufspaltung) der Kristallgitterstruktur unter Bildung von elektrisch geladenen, beweglichen Ionen im sogenannten Elektrolyt
- dies kann durch Auflösen in einem polaren Lösungsmittel (wie Wasser) oder durch Schmelzen geschehen
- klassisches beispiel sind Salzlösungen
Ohm'scher / elektrischer Widerstand
Maß dafür, welche Spannung erforderlich ist um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen U = R * I
\(\text {1 Ohm}(\Omega)= {1 V \over 1 A}\)
Ohm'sche Gesetz
- Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke in einem Leiterkreis
- bei konstanter Temperatur ist die elektrische Stromstärke I in einem Leiter der anliegenden Spannung U proportional
- gilt wenn Widerstand R unabhängig von Stromstärke und Spannung ist
\(U = R* I\)
Kirchhoff'sche Gesetze
für die Parallelschaltung bzw. den verzweigten Stromkreis benötigt man die Kirchhoff'schen Gesetze: Knotenregel, Maschenregel
Maschenregel
- Strom fließt auf einer Seite herein, teilt sich auf mehrer Wege auf und fließt auf der anderen Seite weider heraus (gilt für beide Regeln)
- ermöglicht die Berechnung einer unbekannten Quellenspannung
- in jedem geschlossenen Stromkreis ist die Summe der Quellenspannungen gleich der Summe aller Spannungsabfälle oder die Summe aller Spannungen ist gleich Null
- um Geamtwiderstand zu berechnen muss man den Kehrwert ermitteln: 1/RGes = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
- Masche: geschlossene Umläufe in einem Schaltkreis
Magnetfeld
Wirkungsfeld der Feldlinien; Magnetismus schafft den Übergang zwischen Bewegung von Elektronen und Bewegung von größerer Materie
Stabmagnet
gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an
magnetische Influenz
wenn ein Magnet einem magnetisierbaren Stoff nahe kommt so wird der Stoff ebenfalls magnetsiert und bekommt dessen Eigenschaften
magnetische Feld
- Raum, in welchem die magnetische Kräfte wirken
- wird durch Feldlinienzeichnung beschrieben
- Richtung der Feldlinine ist vom Nord- zum Südpol definiert
- Stärke des Magneten drückt man durch die Feldlininedichte aus
Magnetfled und der Strom
- um jede bewegte Ladung bildet sich ein Magnetfeld
- je höher die STromstärke, desto höher die Feldliniendichte
- Feldlinien verlaufen nicht in den Leiter hinein sondern bewegen sich darum herum
- Feldliniendichte nimmt mit Abstand zum Leiter proportional ab
- Rechte-Hand-Regel
stromdurchflossene Spule
- um mit relativ wenig Strom ein starkes Magnetfled zu erzeugen eignet sich die eine Spule
- magnetische Feldstärke ist proportional zur Windungsanzahl und zur Stromstärke, indirekt proportional zur Spulenlänge
\(H = {n*I \over L}\)
H...magnetische Feldstärke [A/m]
n...Windungsanzahl n
I...Stromstärke [A]
L...Spulenlänge [m]
Lorentzkraft
- jede bewegte Ladung umgibt sich mit einem Magnetfeld, wenn jedoch auf die Ladung bereits ein Magnetfeld von außen wirkt, so ergibt sich eine Wechselwirkung: die Lorentzkraft
- Kraft, die ein magnetisches Feld auf eine bewegte Ladung ausübt
- wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung und senkrecht zu den Magnetfeldlinien
\(F = Q * v * B\)
B...magnetische Kraftflussdichte in Tesla (V*s)/m2 = T
v...Geschwindigkeit der Bewegung [m/s]
Q...Ladungsmenge [C]
F...Lorentzkraft [N]
magnetischer Fluss
\(\Phi = B*A\)
Φ...magnetischer Fluss [V*s]
B...magnetische Kraftflussdichte in Tesla
A...Spulenquerschnitt [m2]
magnetische Kraftflussdichte
gibt an wie Stark ein Magnetfeld ist
B = F / (I*s)
\(B = \mu * \mu_0 *H \)
B...magnetische Kraftflussdichte in Tesla
μ...relative Permeabilität
μ0...magnetische Feldkonstante
H...magnetische Feldstärke [A/m]
Induktion
- Erzeugung eines elektrischen Feldes bei Änderung der magnetsichen Flussdichte
- kommt dadurch zustande, dass auf Elektronen innerhalb des metallischen Leiters bei der Bewegung des Leiters in einem Magnetfeld die Lorentzkraft wirkt
Wechselstrom
- Induktion erzeugt keine konstante Strommenge, sondern eine Welle/Impuls
- beim Wechselstrom werden nicht Ladungen von a nach b transportiert , sonder die Elektronen pendeln hin und her, transportiert wird lediglich die Energie
Effektivwert
- normaler Netzstrom wird mit 230 Volt angegeben, ist nicht das Maximum sondern der Effektivwert
- Effektivwerte für Spannung und Stromstärke erhält man durch Divison der Maximalwerte mit der Wurzel von 2
\(U_{eff} = {U_{max}\over \sqrt 2}\) \(I_{eff}={ I_{max}\over \sqrt 2}\)
Amplitude
maximale Auslenkung einer Welle, entspricht daher Umax und Imax
Periodendauer und Frequenz
Periodendauer: Zeit welche benötigt wird für eine positive und eine negative Auslenkung
Frequenz: Kehrwert der Periodendauer \(f ={ 1\over T}\)
f...Frequenz [Hz]
T...Periodendauer [s]
Elektromagnetische Schwingung (Wellen)
- Ladungsträger fließen von den Kondensatorplatten ab, durchströmen die Spule und erzeugen dabei in ihr ein Magnetfeld, sobald der Stromfluss aufhört, bricht das Spulenfeld zusammen und induziert dabei eine elektrische Spannung, die ihrerseits einen Stromfluss im Schwingkreis bewirkt und den Kondensator wieder auflädt
- Strom bewegt sich in diesem Kreislauf hin und her, wenn es keinen Widerstand gäbe würde eine perfekte elektromagnetische Schwingung entstehen, aufgrund des Widerstandes liegt jedoch eine gedämpfte vor
- Schwingung breitet sich nicht im Raum aus, Welle breitet sich aus
- elektrische Schwingung löst magnetische Welle aus
Frequenzspektrum
- können im Bereich 380-780 nm sehen
- Rundfunk und Wechselströme haben lange Wellenlängen und niedrige Frequenzen
- Gamma- und Röntgenstrahlungen haben kurze Wellenlänge und hohe Frequenz
Ausbreitungsgeschwindigkiet und Frequenz
multipliziert man die Wellenänge mit der Frequenz erhält man die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde
\(c= f * \lambda\)
c...Ausbreitungsgeschwindigkeit [m/s]
f...Frequenz [Hz]
λ...Wellenlänge [m]
Pendel
- Paradebeispiel für eine Schwingung = periodisch wiederholdender Vorgang bei welchem die Schwingungsenergie abwechselnd in verschiedenen Formen überführt wird
- in Punkt B ist die potentiell Energie maximal und die kinetsiche Energie gleich Null, in Punkt A ist die kinetische Energie maximal und die potentielle Energie minimal
harmonische Schwingung
Schwingung, deren Verlauf durch eine Sinusfunktion beschrieben werden kann
Kreisfrequenz: \(\omega = {2 \pi \over T}\)
ω...Kreisfrequenz [s-1]
T...Schwingungsdauer [s]
2π...Strecke des Kreises
harmonische Schwingung: \(s(t)= s_0 * sin(\omega*t)\)
s(t)...Auslenkung in Abhängigkeit zur Zeit
s0...maximale Auslenkung
ω...Kreisfrequenz [s-1]
t...Zeit [s]
gedämpfte Schwingung
- "echte" Schwingung weil der Widerstand berücksichtigt wird
- Amplitude nimmt in Form einer Exponentialfunktion im Laufe der Zeit ab → Schwingung wird gedämpft
Huygens'sches Elementarwellenprinzip