25.04.2012 - Delta
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Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 2. 5 Messung von Strom und Spannung Messung von Strömen (Amperemeter) el. Strom → Wärme → Temperaturerhöhung → Längenausdehnung el. Strom → Magnetfeld (s. nächstes Kapitel) → Drehmoment auf magn. Dipol el. Strom → Elektrolyse → Abscheidung einer Stoffmenge el. Strom → Spannungsabfall am Widerstand → el. Feld Ri Messung des Stroms durch den Widerstand R: Amperemeter in Reihe geschaltet, Widerstand Ri sollte möglichst klein sein, damit der gemessene Strom wenig vom Strom ohne Messgerät abweicht: I U R Ri Messung der am Widerstand R abfallenden Spannung: Amperemeter wird mit Zusatzwiderstand parallel geschaltet, der Widerstand Rz+Ri sollte möglichst hoch sein, um den Gesamtstrom im Stromkreis möglichst wenig zu ändern. Der Strom durch das Messgerät ist I R U Ri Rz R U Rz Ri U 1 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 2. 6 Ladungstransport in Flüssigkeiten und Gasen Strom fließt in Elektrolyten – Flüssigkeiten, in denen Säuren, Laugen oder Salze gelöst sind, in denen sich also bewegliche Ionen befinden. Ionen bilden sich, wenn die Dissoziation (d.h. die Auflösung des gelösten Moleküls in Ionen) energetisch günstig ist. Dissoziation kostet Energie, aber die Anlagerung von Wassermolekülen (mit elektrischem Dipolmoment) an die Ionen ist mit einem Energiegewinn verbunden. Die Leitfähigkeit erhöht sich mit der Ionenkonzentration (mehr Ladungsträger), bis ein Sättigungszustand erreicht ist (geringer Abstand der Ionen behindert ihre Beweglichkeit). Außerdem nimmt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur zu. In Gasen entstehen Ionen, wenn Atomen in Stößen die zum Entfernen eines Elektrons notwendige Energie zugeführt wird: - thermische Ionisation (Stöße der Atome aufgrund ihrer kinetischen Energie) - chemische Prozesse (z.B. in einer Kerzenflamme) - Elektronenionisation (Stöße der Atome mit beschleunigten Elektronen) - Photoionisation (Stöße mit hochenergetischen Lichtteilchen, UV- oder Röntgenphotonen) Gasentladungen: Elektronen werden zwischen Kathode und Anode soweit beschleunigt, dass sie die zur Ionisierung benötigte Energie überschreiten. Ionen prallen auf die Kathode und setzen weitere Elektronen frei. Werden mehr Elektronen freigesetzt als verbraucht, brennt die Entladung selbständig. Bei diesen Prozessen werden Atome auch angeregt (Leuchterscheinungen). - Glimmentladung: geringe Stromstärke in Gas bei niedrigem Druck - Bogenentladung: hoher Strom bei hohem Druck, Glühemission aufgrund von Erwärmung - Funkenentladung: kurzzeitige Bogenentladung (Blitzgerät, Gewitterblitz) 2 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Hörnerelektroden Gasentladungsrohr Hochspannung ca. 10 kV. Beim kleinsten Abstand ist das E-Feld am höchsten, hier entsteht die Gasentladung durch Ionisierung der Luft. Der Gasentladungsboden wandert mit der erwärmten ionisierten Luft nach oben. Bei kleinem Abstand der Elektroden bildet sich die Entladung immer wieder neu, bei größerem Abstand kann sie durch Ionisieren der Luft mit einer Kerzenflamme ausgelöst werden. Hochspannung 6 kV, während der Luftdruck kontinuierlich mit einer Vakuumpumpe vermindert wird, treten nacheinander folgende Phänomene auf: - keine Entladung bei Bei Normaldruck . - rot leuchtende Säule von Anode zu Kathode - dunkler Raum vor der Kathode, die blau schimmert - dunkler Raum wird größer - in der roten Säule bilden sich Zellen - die blaue Entladung wächst, Zellen bilden sich aus - rote Säule verschwindet Das blaue Glimmlicht entsteht durch Elektronen, die durch den Aufprall von Ionen auf die Kathode freigesetzt werden. Das rote Licht wird durch Elektronen von der Anode verursacht. Die Zellenabstände entsprechen der freien Weglänge. Kapitel 2 3 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 2. 7 Stromquellen Erzeugung von Strom - bei der Trennung von Ladungen (mechanisch, chemisch, durch Induktion ...) wird Arbeit gegen die elektrostatische Anziehung geleisten. Es entsteht eine Potenzialdifferenz (elektrische Spannung). - verbindet man die Orte getrennter Ladungen mit eine Leiter, fließt ein Strom. Bedingungen für den Stromfluss: Ohmsches Gesetz und Fluss der Stromquelle I U R I dQ dt d.h. die Quelle kann die Ladungen nicht unbedingt so schnell liefern, wie das Ohmsche Gesetz bei gegebenem Widerstand R des Leiters verlangt. Die Klemmenspannung ("elektromotorische Kraft") der unbelasteten Quelle sinkt aufgrund des Innenwiderstands, wenn ein Verbraucher mit Widerstand R angeschlossen wird und ein Strom fließt: U U 0 Ri I U U0 und I U0 R Ri Ri R Ri Ri U 0 U U 0 1 R Ri R Ri R R Ri Alessandro Volta führt Napoleon seine Batterie vor (1801) 4 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 Galvanische Elemente (elektrochemische Zellen) sind Anordnungen aus zwei Elektroden in einem Elektrolyten. Bei Primärelemente verbrauchen sich die beteiligten Substanzen, sie nicht regenerierbar (Batterien, von frz. battre = hauen, prügeln, dreschen, raufen etc.). Sekundärelemente sind, wenngleich nicht beliebig oft, regenerierbar (Akkumulatoren). Ein in einen Elektrolyten getauchtes Metall gibt in begrenztem Maße positive Ionen ab und wird durch die verbleibenden Elektronen negativ. An der Grenzfläche entsteht ein elektrisches Potenzial, das einen für jedes Metall charakteristischen Wert hat. Taucht man zwei verschiedene Metalle in einen Elektrolyten, so entsteht eine Potenzialdifferenz. Verbindet man die Metalle mit einem Leiter, fließt ein Strom, dessen Richtung von den jeweiligen Potenzialen abhängt. Beispiel: Elektronen fließen von einer Zinkelektrode zu einer Kupferelektrode (Strom von "Pluspol" Kupfer zum "Minuspol" Zink), wenn beide in eine Kupfersulfatlösung getaucht sind. Ein Zinkatom , das zwei Elektronen abgegeben hat, bleibt in der Lösung. Ein gelöstes Kupferatom, das zwei Elektronen aufnimmt, wird elektrisch neutral und scheidet sich an der Kupferelektrode ab. Die Zinkelektrode verbraucht sich, die Kupferelektrode wird dicker. Man sagt, Kupfer sei "edler" als Zink (edel zu sein hat offenbar etwas mit Dickwerden zu tun). Die Elektronenabgabe nennt man Oxidation, die Elektronenaufnahme Reduktion. Beides zusammen wird als Redoxreaktion bezeichnet. Thermoelektrische Spannung entsteht, wenn zwei Metalle ringförmig verbunden sind und die beiden Kontaktstellen verschiedene Temperaturen haben. Fügt man eine Spannungsquelle ein, so erwärmt sich eine der Kontaktstellen, die andere kühlt sich ab (Peltier-Effekt). 5 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 3. Magnetostatik 3. 1 Beobachtugen Permanentmagnete Bereits im Altertum wurde beobachtet, dass es Mineralien gibt, die Eisen anziehen. Auch Eisen kann diese Wirkung haben, wenn es längere Zeit einem Magnetfeld ausgesetzt wurde (z.B. dem Erdmagnetfeld). Materialien, die dauerhaft diese Eigenschaft besitzen, heißen Permanentmagnete. Zwischen zwei Magneten beobachtet man anziehende und abstoßende Kräfte. Jeder Magnet hat zwei Pole, "Nordpol" und "Südpol" genannt, weil sich ein frei beweglicher Magnet (z.B. eine Kompassnadel) sich ungefähr in der geografischen Nord-Süd-Richtung ausrichtet. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. 6 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 Gian Domenico Romagnosi Hans Christian Oersted 1777-1851 1761-1835 Magnetfelder stationärer Ströme (I = const.) Elektrischer Strom beeinflusst eine Kompassnadel (Rosagnosi 1802, Oerstedt 1820, erstes Phänomen, das eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus zeigte). In der Umgebung eines geraden Leiters richtet sich eine Kompassnadel tangential zu einem Kreis um den Leiter aus. + + Zwei parallele Leiter mit gleichsinnigem Strom ziehen sich an, mit entgegengesetztem Strom stoßen sie sich ab. Da die Leiter elektrisch neutral sind (auch wenn ein Strom fließt), kann dies nicht die elektrostatische Coulomb-Kraft sein, sondern muss die Wirkung eines anderen Felds sein. Magnetische Feldstärke B frühere Bezeichnung: magnetische Flussdichte F F B B B B SI : B 1 V 2s 1 T (Tesla) m cgs : B 1 G (Gauss) 10-4 T - - 7 Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat . Khan @ TU - Dortmund . de Kapitel 2 3. 2 Magnetische Kräfte Bewegte Ladung Q mit Geschwindigkeit v in einem Magnetfeld B F Q v B B 1 N s Cm 1 J s V s 1 2 2 Cm m allgemeiner: F Q E v B Lorentzkraft Ein Strom ist eigentlich ein Vektor (hier: Dichte einer Linienladung in C/m mal Geschwindigkeit) I v F v B dq v B dl I B dl dl B I F I dl B weil I || dl z.B. Leiter der Länge a senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld B: F I aB 3.3 Magnetfeld eines stationären Stroms Stationäre Ladungen erzeugen konstante elektrische Felder: Elektrostatik Stationäre Ströme erzeugen konstante magnetische Felder: Magnetostatik Eine bewegte Punktladung erzeugt keinen stationären (zeitunabhängigen) Strom. Wir betrachten also ausgedehnte zeitunabhängige Stromverteilungen. 8
