20.5.

Einführung in die Physik II
für Studierende der Naturwissenschaften
und Zahnheilkunde
VL # 14, 20.05.2009
Vladimir Dyakonov
Experimentelle Physik VI
[email protected]
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Ströme erzeugen Magnetfelder
Ørsted 1820
Wirkungen des Stromflusses:
Magnetwirkung
Stromdurchflossener Leiter bewirkt Auslenkung der Magnetnadel
Magnetfeld eines
stromdurchflossenen Leiters
Relais
Elektromagnet
Drehspulinstrument
(Strommessung)
Kraft zwischen stromdurchflossenen
Leitern
Ursache der Kraftwirkung: Magnetfeld
Andre Ampere
1775-1836
Definition Ampere
Durch zwei 1m lange, parallele
Leiter im Abstand von 1m fließt
ein Strom der Stärke I = 1A,
wenn zwischen den Leitern
eine Kraft von 2 10-7 N wirkt
SI Basiseinheiten
Meter
1 m ist die Strecke, die das Licht im Vakuum
zurücklegt in 1/299792458 Sekunde (exakt!)
Kilogramm
1 kg ist die Masse des internationalen Kilogrammtyps
(Fehler: Δm/m ≈ 2⋅10-8)
Sekunde
1 s ist das 9192631770 fache der Periodendauer
beim Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus
des Grundzustandes von 133Cs (Fehler: Δt/t ≈ 10-14)
Ampère
1 A ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch
zwei gerade, parallele und unendlich lange Leiter im
Abstand von 1 m fließt und dabei pro Meter Leiterlänge
die Kraft F = 2⋅10-7 N erzeugt (Fehler: ΔF/F ≈ 2⋅10-8)
Wirkungen des Stromflusses:
Chemische Wirkung
Galvanisieren:
das elektrolytische Abscheiden von metallischen dünnen Schichten
Entstehung einer Spannung
Entstehung einer Gleichgewichtsspannung
Gießt man in ein Gefäß mit Wasser auf einer Seite eine
Natriumchloridlösung (Na+Cl-), verteilen sich die Na+-Ionen und
Cl--Ionen im Laufe der Zeit durch Diffusion gleichmäßig in der
Flüssigkeit. Ist das Gefäß durch eine selektiv permeable
Membran in zwei Hälften getrennt, die zwar die kleineren Cl-Ionen, nicht aber die Na+ Ionen passieren läßt, gelangen nur Cl-Ionen in die andere Hälfte. Da sich entgegengesetzt geladene
Ionen anziehen, wandern Na+-Ionen bis zur Membran mit. Das
wirkt sich auf die Cl--Ionen aus: Cl--Ionen gelangen nur so lange
zur anderen Seite, bis der „Druck" durch das
Konzentrationsgefälle so groß ist wie der „Zug" durch die Na+Ionen. Ein Gleichgewicht stellt sich ein.
Die Kraft, die den Ausstrom zum Erliegen bringt, ist als
Gleichgewichtsspannung messbar.
Zitronenbatterie
In jede Zitrone je einen Zink- und einen Kupfernagel
stecken und die 4 Zitronen in Reihe schalten.
Erklärung
Erklärung
Wenn zwei verschiedene Metalle in die Lösung eines Elektrolyten (z.B. Zitronensäure) gebracht werden, löst sich
das "unedlere" Metall auf. Seine Atome gehen als positive Ionen in die Lösung. Der Draht selbst wird von den
zurück bleibenden Elektronen negativ geladen.
Dem "edleren" Metall werden durch die Lösung Elektronen entzogen; es wird daher positiv. Werden die Drähte
außerhalb des Gerätes (Zitrone) leitend verbunden, so können sich die Ladungen ausgleichen. Es fließt Strom.
Edlere Metalle bilden in galvanischen Elementen stets den + Pol, unedlere den - Pol.
Beispiel : Zitronenbatterie (Zinkelektrode - Kupferelektrode)
Das Geheimnis der Zitronenbatterie: Der Zitronensaft mit seiner Säure wirkt als Elektrolyt (so heißen Flüssigkeiten,
die Strom leiten können). Die Säure wirkt in unserem Experiment wie ein "Treibstoff"; sobald sie verbraucht ist,
fließt in der Frucht nichts mehr...
Der schwach saure Zitronensaft und die Zinkelektrode bilden ein sogenanntes galvanisches Element, dessen
Zellreaktionen wie folgt beschrieben werden:
An der Zinkelektrode entstehen Zinkionen (Zn2+), so dass sich das Metall langsam auflöst (Korrosion). Die
Kupferelektrode dient lediglich der Sammlung von Elektronen, an ihr entsteht Wasserstoff (H2)
Elektrischer Widerstand
Damit ein Strom I fließt, muß eine Spannung U anliegen
I
U
Widerstand
I = f(U)
Als elektrischer Widerstand R ist das Verhältnis von Spannung U
und Strom I definiert
Dimension [R] = V/A = 1 Ohm = 1Ω
Ohmsches Gesetz
Bei vielen Leitern (Metalle, Elektrolyte) ist R spannungsoder stromunabhängig
I direkt proportional zu U
R= const: Gültigkeitsbereich des Ohmschen Gesetzes
I
I2
I1
U1
U2
U
Ohmsche Widerstände
Kleiner Widerstand
I
I2
Großer Widerstand
I1
U2
U1
U
Spannungsabfall am Widerstand
I
Potenzialdifferenz U:
U
Widerstand eines homogenen Leiters
A
L
Widerstand hängt ab: Material (spezifischer Widerstand ρ [ρ] =Ωm)
Geometrie (Länge L, Querschnitt A)
Manchmal zweckmäßig Leitwert G (Einheit [G] = S Siemens)
σ = 1/ρ spezifische Leitfähigkeit [σ] = Ω-1m-1
Widerstand Verknüpfungen
Verknüpfungen
Stromdichte j = I/A
Ohmsches Gesetz in
vektorieller Form
Beispiel: Kupferdraht
ρ = 1.72 10-8Ωm, A = 10mm2, l=100m
R = 0.172 Ω