Physik 2. Elektrizität / Magnetismus.

Physik Elektrizität
3
Physik 2.
Elektrizität /
Magnetismus.
Quelle: Wikipedia, Theo Schacht
SS 16 | 2. Sem. | B.Sc. Oec. und B.Sc. CH
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Physik Elektrizität/Magnetismus
Themen
•
•
•
•
Elektrostatik
Elektrodynamik
Magnetismus
Elektromagnetismus
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5
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
ELEKTROSTATIK
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Phänomen statische Aufladung
(SP)
•
Reibung bestimmter (Kunst-)
Stoffe erzeugt statische
Aufladung
•
•
•
•
Haare, Staub, kleine
Papierschnitzel (…) werden
angezogen
Pullis (und andere
Kleidungsstücke) knistern
beim Ausziehen
man erhält einen Schlag
Eigenschaft „antistatisch“ ist
ein Verkaufsargument
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Anwendung Elektrostatik (1/2)
•
Statische Aufladung in
Technik wichtig
•
•
•
•
Elektrophoresekammer
Reinigungstechnik
Drucker, Kopierer
Lackierstraßen
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Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Anwendung Elektrostatik (2/2)
Elektro-Staubabscheider
Quelle: Energiewelten/
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
11
Ursache statischer Aufladung
(1/2)
•
Erforderliche Modellvorstellung für
Atome: Schalenmodell
•
•
•
•
Alle Stoffe haben eine riesige Anzahl
von Ladungsträgern (s. Avogadrozahl)
•
•
•
negative Ladung: Elektronen
positive Ladung: Atomkerne
Ladung wird in Coulomb [C] gemessen
•
•
•
punktförmige negative geladene
Elektronen umkreisen
positiv geladene Atomkerne
auf Kugelschalen
(mit unterschiedlichem Abstand zum Kern)
Coulomb, Charles de, 1736 - 1806
Ladung eines Elektrons: q = 1,602·10-19C
Unter Normalbedingungen neutralisieren
sie sich
•
Gesamtladung Q = 0 C
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+
Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Ursache statischer Aufladung
(2/2)
•
Bei Nichtleitern entsteht durch Reibung zu geringem Teil
Ladungstrennung
•
•
•
Körper ist entweder
•
•
•
positiv geladen (Elektronen“mangel“)
negativ geladen (Elektronenüberschuss)
Zwei geladene Körper
•
•
•
Elektronen werden von den Atomkernen getrennt
auf den reibenden Gegenstand übertragen und entfernt
stoßen sich bei gleicher Ladung ab (+/+; -/-)
ziehen sich bei ungleicher Ladung an (+/-)
Coulomb-Kraft wirkt
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Coulomb-Kraft (SP)
Coulomb-Kraft
q1  q2
1

F
4   0
r2

mit
q1 Betrag der Ladung des Körpers 1 in C
q2 Betrag der Ladung des Körpers 2 in C
r
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Abstand der Körper in m
14
Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Beispiel Coulomb-Kraft (1/2) (SP)
•
Warum ist Wasser ein polares
Lösungsmittel?
•
Sauerstoffatom bindet Elektronen
der Wasserstoffatome stärker an
sich
• Wasserstoffatome leicht (!) positiv
geladen
• Sauerstoffatom leicht (!) negativ
geladen
 Wasserstoffbrückenbildung
(Chemie, Biochemie!)
•
•
Coulomb-Kraft verstärkt
Oberflächenspannung bei Wasser
Aber: Keine Ladungstrennung,
sondern Ladungsverschiebung!
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Beispiel Coulomb-Kraft (2/2)
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Aufgabe Coulomb-Kraft
• Wie groß ist die Coulomb-Kraft zwischen einem
Wasserstoff-Atomkern (q = 1,602·10-19 C) und
einem Elektron (q=–1,602·10-19 C) bei einer
Entfernung von
• 0,529 m?
• 52,9 pm (Elektron umkreist Atomkern)
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Blitz & Donner (SP)
•
•
•
•
Durch die Ladungstrennung
entsteht eine elektrische
Potenzialdifferenz oder
Spannung(-sdifferenz),
gemessen in Volt (Volta,
Alessandro, 1745 – 1827)
Die Spannung wird größer, je
mehr Ladungen getrennt werden
Bei genügend großer Spannung
kommt es zur Entladung
Je kleiner der Abstand desto
geringer die erforderliche
Überschlagsspannung
Quelle (2): HALLIDAY
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Vulkanausbruch(SP)
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Was passiert bei einem
Überschlag?
• Isolation ist für die Spannung nicht mehr
ausreichend
• Ladungstrennung wird (teilweise) aufgehoben
• Ladungsträger strömen von einem Körper zum
anderen
• Ladungsträgerstrom → Elektrodynamik
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Überschlag
•
Überschläge können
auch sinnvoll sein
• Zündkerze
• Elektroschweißgerät
• Piezo-Zündung
(Gasherd)
•
… oder auch nicht
• Kurzschlüsse
• Spannungsüberschläge
•
•
Zündanlagen
Hochspannungsleitungen
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrostatik
Schutz vor Überschlägen (SP)
• gute Isolation
• Faraday‘scher Käfig
Quelle: HALLIDAY
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Physik  Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik
ELEKTRODYNAMIK
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik
Elektrodynamik
• Unterschied zur Elektrostatik
• Ladungsträger müssen sich bewegen können
•
•
Leiter bzw. Halbleiter (in elektronischen Bauelementen)
erforderlich
es kann ein (Ladungsträger-)Strom fließen (Ionen,
Elektronen, „Löcher“)
• Spannungsquelle erzeugt
•
•
elektrische Spannung(-sdifferenz)
Stromfluss im Leiter
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Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik
29
Stromfluss
•
•
•
Wie viele Ladungsträger passieren
pro Sekunde den Leiter?
6,24·1018 Ladungen/s = 1 C/s
= 1 A (Ampère, André 1775 – 1836)
Fast immer sind Elektronen die
Ladungsträger
•
•
physikalischer Stromfluss von
„-“ nach „+“
technischer Stromfluss von
„+“ nach „-“
Hier zählen!
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Physik  Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik Spannung
elektrische Spannungen
•
unterscheiden, wie sich die elektrische Spannung
zeitlich verändert
•
•
Gleichspannung
Wechselspannung
•
•
•
einphasig
dreiphasig
(Rechteck-, Dreieckspannung)
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30
Physik  Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik Spannung
31
Gleichspannung
12
Spannung in V
10
8
6
4
2
0
0
0,5
1
Zeit in s
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1,5
Physik  Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik Spannung
32
Wechselspannung, einphasig
Netzspannung: U0 = 325V; f = 50Hz; U(t) = 325V sin(2·50Hz·t)
Effektivspannung (= gemessene Spannung): 230V~
1/50 s
Spannung U(t) in V
400
200
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
-200
-400
Zeit in s
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
0,05
0,06
0,07
Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik Spannung
33
Wechselspannung, dreiphasig
120°
120°
400
A uslenkung in cm
300
200
100
0
-100 0
0,01
0,02
0,03
-200
-300
-400
Zeit in s
P hase 1
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P hase 2
P hase 3
0,04
0,05
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
Steckdosen, ein- und dreiphasig
230 V Steckdose
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400 V Steckdose
34
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis
Ohm‘scher Widerstand
 Integriertes Praktikum, Versuch „WID“
• Idealfall: Nur Widerstände haben einen
(definierten) Widerstand
• Realität: Fast alle Bauteile (auch Kabel!) haben
einen Widerstand
• Ausnahme: Supraleiter
• Formelzeichen: R
• Maßeinheit: Ohm 
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis
Ohm‘sches Gesetz (SP)
• Georg Simon OHM (1787 - 1854)
• Widerstandsberechnung
Allgemein:
R
U
I
in 
1

parallele Widerstände:
Rges

serielle Widerstände:
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Rges  ...
Rges 
Eselsbrücke:
37
Physik Elektrizität/Magnetismus  Elektrodynamik Stromkreis
Elektrische Leistung und Arbeit
(SP)
• Aus der Mechanik-Vorlesung bekannt
• Definition der elektrischen Arbeit
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Physik Elektrizität/Magnetismus
KAPAZITÄT (KONDENSATOR)
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40
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
41
Kapazität
• Kapazität besteht aus
• zwei „Platten“
• Isolation zwischen ihnen
_
+
• Spannungsquelle „lädt“
Kapazität auf
• Elektronenüberschuss auf
der negativen Platte
• Elektronenmangel auf der
positiven Platte
• Entladung über
Widerstand
• IP2, Versuch RCL
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
U
+ _
+ _
U
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Anwendung Elektrodynamik (2/2)
Elektrotechnische
(SP)
Wirkung einer Zelle
Körperfettmessung (BIA-Methode)
•
Zellwände = Kapazität
•
Zellflüssigkeit und intracelluläre Flüssigkeit =
Ohmscher Widerstand
•
Verwendung einer Wechselspannung mit
verschiedenen Frequenzen → IP2, Versuch RCL
Quelle: Data Input GmbH
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Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Kapazität eines Kondensators
(SP)
• Betrachte Plattenkondensator
• Kapazität C im Wesentlichen abhängig von den
geometrischen Größen
• Plattenabstand d
• Fläche der Platten A
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45
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Wie viel Ladung ist auf einem
Kondensator? (SP)
• Coulombkraft: Elektronen stoßen sich ab, halten
möglichst großen Abstand
• Wie bekommt man viele Ladungen auf die
Platte?
• Große Kapazität C, die möglichst vielen Ladungen
Platz bietet
• Hohe Spannung U, die mehr Elektronen auf die
negative Platte „drückt“ und von der positiven Platte
„saugt“
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
47
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Laden eines Kondensators (SP)
Spannung U(t) [V]
Laden
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Zeit t [s]
aufgenommene elektrische Energie: EKap  12  C  U 2
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
49
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
50
Wichtige Zeitpunkte in der
Ladekurve
t0  0 s
 U (t0 )  0V

 

t1  
 U (t1 )  U 0  1  e    0, 63  U 0


 ln(2) 



  
t2  t 12  (ln(2)  )  U (t 12 )  U 0  1  e
  12  U 0




t 12 : Halbwertszeit
Technisch: t3
t4  
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
 5 
 U (t3 )  U 0  1  e 5   U 0
t



 U (t4 )  lim  U 0  1  e 
t  



   U 0

Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
51
Zeichnen Sie  und t½ ein
Spannung U(t) [V]
Laden
10
8
6
4
2
0
0
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
2
4
6
Zeit t [s]
8
10
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
53
Entladen eines Kondensators
(SP)
Spannung U(t) [V]
Entladen
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Zeit t [s]
abgegebene elektrische Energie: EKap   C  U
1
2
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
2
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
54
Wichtige Zeitpunkte in der
Entladekurve
t0  0 s
 U (t0 )  U 0
t1  
 U (t1 )  U 0  e
t2  t 12  (ln(2)  )  U (t 12 )  U 0  e
Technisch: t3
 5 
t4  
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |



 0,37  U 0
 ln(2) 


  
 12  U 0
5
 U (t3 )  U 0  e  0V
t


 U (t4 )  lim  U 0  e 
t 


  0V

Physik Elektrizität/Magnetismus
MAGNETISMUS
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
55
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
57
Anwendungen (SP)
•
•
•
•
Induktionskochfelder
Transformatoren
Elektromechanik
Elektronik
(z.B. Metalldetektoren)
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Quelle: http://www.tagderkueche.de/images/2005/presse/7.jpg
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Besteckseparation in der Mensa
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
58
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Magnetismus
• verschiedene Arten von Magneten
•
• dauerhaft magnetische Stoffe (Permanentmagnete)
• stromdurchflossene Leiter → Elektromagnetismus
Ein Magnet übt durch das ihn umgebene Magnetfeld
eine Kraft aus auf
• magnetisierbare Stoffe
• elektrisch geladene Teilchen
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
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Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Modellvorstellung Magnetismus
•
•
Magnete bestehen aus vielen Elementarmagneten
Elementarmagnete besitzen immer
• Nordpol
• Südpol
• es gibt keine einzelnen Nord- oder Südpole
•
je besser die Elementarmagnete ausgerichtet sind,
desto stärker ist das Magnetfeld → Kraft des
magnetischen Feldes ஻ (magnetische Kraft)
S
S
N
S
S
S
N
S
N
N
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
S
S
N
N
N
S
N
N
S
N
S
N
S
S
N
N
60
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
61
Magnetfeldlinien
•
•
Magnetisierbare Körper (Eisenfeilspäne) und andere
Magnete richten sich anhand der Magnetfeldlinien
aus
Je größer die Kraft des Magneten, desto dichter sind
seine Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld B
S
Quelle: Wikipedia, Geek3
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
N
Quelle: Großmann nach Wikipedia, Meyer
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Erdmagnetfeld
•
•
•
Erdmagnetfeld lenkt geladene Partikel, die von der Sonne kommen, zu
den Polen ab (Polarlichter) → magnetische Kraft
Ohne Erdmagnetfeld kein Leben möglich, Verhältnisse wie auf dem
Mars
Kraft des magnetischen Feldes ‫ܨ‬Ԧ஻ richtet Kompassnadel parallel zu den
magnetischen Feldlinien aus
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Quelle: Wikipedia, NASA
62
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Schweben von Lasten
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
63
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Reibungsfreie Lagerung von
Achsen
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
64
Physik Elektrizität/Magnetismus
ELEKTROMAGNETISMUS
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
65
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
66
Stromdurchflossener Leiter
•
•
•
Ein stromdurchflossener
Leiter erzeugt ein
Magnetfeld ‫ܤ‬
Die Feldlinien verlaufen
zylindrisch um den Leiter
Die Richtung des
Magnetfelds hängt ab von
•
•
•
•
der Stromflussrichtung
der Polarität der
Ladungsträger
„Rechte-Faust-Regel“
Zu Spulen aufgewickelter
Draht vervielfacht das
Magnetfeld ‫ܤ‬
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
I
‫ܤ‬
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
68
Elektromagnetismus (SP)
•
Angewendet zur
Herstellung von
• Elektromagneten
• Spulen
•
Beide bestehen im
Wesentlichen aus
• aufgewickeltem Draht
(Spule)
• Eisenkern (optional)
•
Nutzt den
Zusammenhang zwischen
• Elektrizität
• Magnetismus
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Elektromagnetismus
Quelle: HALLIDAY
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Elektromagnetismus, qualitativ
•
•
•
•
•
Leiter: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld  z.B. Elektromotor
Induktivität: Änderungen des Stromflusses in einer Spule
verändert die Stärke des Magnetfelds
Änderungen der Stärke des Magnetfelds induzieren in einem
vom Magnetfeld eingeschlossenen Leiter
(also auch in der Spule selbst!)
eine Spannung (Spannung der
Selbstinduktion, Induktionsspannung)
Je stärker die Änderung, desto größer
ist die Induktionsspannung (→ Versuch
Leuchtstofflampe, HT-Praktikum)
Induktionsspannungen
•
•
Arbeitsprinzip von Transformatoren zum
verlustarmen Umwandeln von
Spannungen
können elektronische Bauteile gefährden
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
69
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
70
Gleichstrommotor, Funktionsprinzip
Spannung
–
+
Stator
Rotor mit
Wicklung
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Kommutator
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Gleichstrommotor, Video
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Quelle: Energiewelten/
71
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Bewegte elektrisch geladene
Teilchen im Magnetfeld
•
Die magnetische Kraft wirkt und verändert die
Flugbahn der Teilchen
•
•
Mathematisch:
Magnetische Kraft ‫ܨ‬Ԧ஻ ist das Vektorprodukt aus
Geschwindigkeit ‫ݒ‬Ԧ und Magnetfeld ‫ܤ‬
Anschaulich:
•
•
•
Die magnetische Kraft entsteht, wenn die Richtungen von
Magnetfeldlinien und Geschwindigkeit der Teilchen nicht
parallel sind (optimal senkrecht zueinander stehen)
Die Kraftrichtung steht senkrecht auf Magnetfeldlinien und
Geschwindigkeit(-srichtung) der Teilchen
Ermittlung der Kraftrichtung über die
Rechte-Hand-Regel
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
72
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Magnetische Kraft,
Rechte-Hand-Regel

 
F  q  (v  B )

mit
Magnetische Kraft in N
F
Ladung des Teilchens in C
q

v
Geschwindigkeit des
Teilchens in m/s

V s
B
Magnetfeld in
=T
2
m
Quelle: Großmann nach Wikipedia/Canarris
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
73
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
74
Polarlicht
•
Magnetische Kraft lenkt Partikel, die von der Sonne
kommen, auf Spiralbahnen zu den Polen ab
Quelle: Wikipedia, Theo Schacht
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Quelle: Wiebke Salzmann
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Massenspektrometer
Kombination aus
•
Ionenquelle
•
Magnetfeld ‫ܤ‬
•
Detektor
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
75
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Massenspektrometer – Ionenquelle
•
Probe einbringen
•
Bestandteile werden ionisiert
•
Ionen werden durch ein
elektrisches Feld (Coulombkraft)
beschleunigt
•
Geschwindigkeit der Ionen ist von
ihrer Masse abhängig: v(m)
•
Große Masse: Langsam
•
Kleine Masse: Schnell
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
76
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
77
Massenspektrometer – Magnetfeld
•
Steht senkrecht zur Richtung der
Geschwindigkeit
•
Ist überall gleichstark (homogenes
Magnetfeld)
•
Anwendung der Formel für die
Magnetische Kraft ergibt:
Die Ablenkung der Ionen variiert
mit ihrer Geschwindigkeit ‫ݒ‬Ԧ
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Ionen mit
kleiner Masse
Ionen mit
großer Masse
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
78
Massenspektrometer – Detektor
•
•
•
misst Anzahl der auftreffenden
Ionen
•
Ionen  Ladungsträger
•
Ladungsträger  elektrischer Strom
•
Großer Strom  viele Ionen
 hoher Peak
Rückschlüsse auf
Zusammensetzung der Probe
durch
•
Höhe der Peaks
•
Anordnung der Peaks
„Fingerprint“ der Substanzen
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Ionen mit
kleiner Masse
Ionen mit
großer Masse
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Anwendung Massenspektrometer
(SP)
• Qualitätssicherung
• Prüfung von Rohwaren
• Analyse von Aromen
• Untersuchung von
Pfandflaschen auf
problematische
Rückstände (Sniffer)
Quelle: www.unisensor.de
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Elektromagnetische Strahlung
• Durch Kombination aus
• Spule
• Kapazität
• (Widerstand)
kann elektrische Schwingungen erzeugen
• Keyboard
• Synthesizer
• Aus elektrischen Schwingungen lässt sich mit
Antennen elektromagnetische Strahlung
erzeugen und empfangen
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Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Elektromagnetische
Frequenzspektrum
Handy, Radio, TV,
RFID → IP2, Versuch RCL
Quelle: Wikipedia
sichtbarer elektromagnetischer
Wellenbereich  Optik
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