Physik 10 I - Peter-Henlein

Grundwissen Physik
für die 10. Klasse I
1. Definition des Widerstandes
I inA
1
2
3
U in V
Definition : R =
Leiter 1: Konstantan oder gekühlter
Metalldraht
Es gilt das ohmsche Gesetz:
I ~ U falls die Temperatur konstant
Leiter 2: Kohle, Graphit
Leiter 3: Eisen, Kupfer ungekühlt
U
V
mit [R] = 1
= 1 Ω („RUDI-Formel“)
I
A
2. Die Widerstandsformel
Der Widerstand eines Drahtes ist abhängig von seiner Länge (R~  ), von seiner
1
Querschnittsfläche (R ~ ), vom Material und der Temperatur.
A

Ω ⋅ mm²
R = ρ⋅
wobei ρ der spezifische Widerstand ist mit [ ρ ] =
A
m
(ROLA-Formel)
3. Reihenschaltung und Parallelschaltung
Reihenschaltung
Parallelschaltung
Stromstärke I = konstant
Spannung U = konstant
Uges = U1 + U2 +…
Iges = I1 + I2 + …
1
1
1
=
+
+ ...
R ges R 1 R 2
Rges = R1 + R2 + …
R 1 U1
=
R 2 U2
R1 I2
=
R 2 I1
Pges = P1 + P2 + …
4. Elektromagnetische Induktion in Spulen
Elektrische Energie
Bewegungsenergie
Bewegungsenergie („Motorprinzip“)
elektrische Energie („Generatorprinzip“)
Bei einer Spule entsteht Induktionsspannung, wenn sich das von ihr umfasste Magnetfeld
zeitlich ändert. Bei geschlossenem Stromkreis entsteht auch Induktionsstrom.
Die Höhe der Induktionsspannung nimmt mit wachsender Windungszahl der Spule,
mit größerer Magnetfeldstärke und mit der Geschwindigkeit der Änderung der
Magnetfeldstärke zu.
Lenz´sche Regel:
Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Ursache der
Induktion (Zu- oder Abnahme der Magnetfeldstärke) entgegenwirkt.
Lorentzkraft:
Auf bewegte Ladungsträger (meist Elektronen) im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft.
Linke-Hand-Regel für die Induktion:
Daumen in Bewegungsrichtung (Ursache), Zeigefinger in Magnetfeldrichtung von Nord
nach Süd (Vermittlung), somit zeigt der Zeigefinger in die Elektronenstromrichtung
(Wirkung): Die drei Finger der linken Hand stehen dabei jeweils senkrecht zueinander.
Generatoren:
Prinzip: ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld bewirkt in einer Induktionsspule
Induktionsspannung und –strom.
Es gibt Innenpolgeneratoren (der Feldmagnet bewegt sich zwischen den feststehenden
Induktionsspulen) und Außenpolgeneratoren (die Induktionsspule rotiert zwischen den
Polschuhen eines Feldmagneten).
In Großkraftwerken möchte man hohe Leistungen erzielen, d.h. die Leistung P als Produkt
von der Spannung U und der Stromstärke I soll groß werden:
Hohe Spannung durch hohe Windungszahl der Induktionsspulen: also werden die
Induktionsspulen sehr schwer und sollen nicht bewegt werden, um hohe mechanische
Belastungen zu vermeiden. Somit ist der Innenpolgenerator besser geeignet.
Hohe Stromstärke würde beim Außenpolgenerator die Schleifbürsten verschmoren
lassen, beim Innenpolgenerator sind dagegen feste Anschlüsse möglich.
Transformatoren:
Aufbau: Primärspule (erkennbar an der angeschlossenen Elektrizitätsquelle) und
Sekundärspule befinden sich gemeinsam auf einem geschlossenen Weicheisenkern.
Hohe Sekundärspannung wird erricht durch hohe Sekundärwindungszahl und niedrige
Primärwindungsgzahl.
Hoher Induktionsstrom wird erreicht durch niedrige Sekundärwindungszahl und hohe
Primärwindungsgzahl.
Der Wirkungsgrad am Trafo ist kleiner als 100% und des gilt:
η=
Ps
Pp
Ursachen
Abhilfe
1. Entstehung von Wärme durch den
ohmschen Widerstand der Spulen
niedrige Windungszahlen, große Querschnittsflächen, gut leitendes Material
Kühlen der Spulen, Supraleitung
2. Entstehung von Wärme durch
Wirbelströme im Weicheisenkern
Blättern des Kerns
3. Streuung des Magnetfeldes
Verwendung eines Jochs oder Verwendung
eines Manteltrafos
4. Wärme durch Ummagnetisierung
der Elementarmagnete im Kern
es werden spezielle Legierungen verwendet
Energieübertragung:
In Überlandleitungen hat man „Leistungsverluste“ Pfern = Rfern · I²
Um Energie über weite Strecken übertragen zu können, müssen diese „Verluste“ gering
gehalten werden.
1. Rfern verringern: gut leitendes Material wie Kupfer oder Aluminium und hohe Querschnittflächen: sehr teuer und sehr hohe Massen
2. Die Stromstärke I wird verringert, indem man am Kraftwerk die Spannung hoch
transformiert.
Vor Erreichen der Haushalte wird die Spannung wieder niedertransformiert.
5. Halbleiter:
Germanium, Silicium und andere vierwertige Stoffe bezeichnet man als Halbleiter, das
sie den Strom weder gut leiten noch isolieren (Nichtleiter sind).
Beim absoluten Nullpunkt sind sie aber Isolatoren, bei normaler Temperatur schlechte
Leiter.
Dotiert (verunreinigt) man sie mit fünfwertigem Stoff, z.B. Arsen, so ist das fünfte
Außenelektron des eingebauten Arsens ein frei beweglicher Ladungsträger (n-Dotierung).
Dotiert man sie mit dreiwertigem Stoff (z.B. Indium), so entreißt das Indiumatom einem
benachbarten Germaniumatom ein Elektron, so dass diesem Germaniumatom ein Elektron
fehlt, diese Fehlstelle entspricht einer positiven Ladung, man nennt sie Defektelektron oder
Loch (p-Dotierung)
Fügt man einen n-Halbleiter und einen p-Halbleiter zusammen, so erhält man eine sogenannte
Diode.
An der Grenzschicht wandern die freien Elektronen des n-Halbleiters zu den
Defektelektronen des p-Leiters, so dass ein elektrisches Feld entsteht, das weiteres
Diffundieren von freien Ladungsträgern verhindert.
Legt man nun an die p-Schicht den Minuspol und an die n-Schicht den Pluspol einer
E-quelle an, so verbreitert sich die nahezu ladungsträgerfreie Grenzschicht (Sperrrichtung
der Diode)
Legt man nun an die p-Schicht den Pluspol und an die n-Schicht den Minuspol einer
E-quelle an, so fluten die Ladungsträger in die Sperrschicht und machen diese
stromdurchlässig (Durchlassrichtung der Diode)
Die Diode wirkt also als Ventil. Gleichrichterwirkung für Wechselstrom, der zu pulsierendem
Gleichstrom wird.
Kennlinie einer Diode:
I
U
6. Atom- und Kernphysik
Grundlagen: Jeder Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen
(neutral) die durch Kernkräfte (sehr starke Kräfte, Reichweite sehr gering - beschränkt auf
Nachbarteilchen) zusammengehalten werden. In der Atomhülle befinden sich die Elektronen
(negativ geladen).
Nuklidschreibweise:
Symbol des chemischen Elementes
Nukleonenzahl (Protonenzahl +
A
X
Neutronenzahl)
Ordnungszahl = Kernladungszahl
(Zahl der Protonen)
Z
Isotope nennt man Nuklide mit gleicher Ordnungszahl (= Zahl der Protonen) aber
unterschiedlicher Nukleonenzahl. Sie unterscheiden sich also in der Zahl der Neutronen.
Radioaktive Strahlung kommt immer aus dem Kern, sie kann durch Geigerzähler,
Nebelkammern und Fotoplatten nachgewiesen ( ) werden. Es gibt α-, β- und γ-Strahlung.
Art der Strahlung
Zerfallsgleichung
Abschirmung
α - Strahlung
positiv geladenen
Heliumkerne
4
He
2
β - Strahlung
negativ geladene
Elektronen, die aus
dem Zerfall eines
Neutrons stammen:
1
1
0
n→ p+
e
0
1
−1
226
222 4
137
137
0
Ra →
+ He
Cs →
Ba +
e
88
86 Rn 2
55
56
−1
γ - Strahlung
elektromagnetische
Strahlung eines
angeregten Kerns,
keine Teilchen
durch ein Blatt
Papier
ja, da positiv
geladen
4 mm dicke
15 mm Bleiplatte
Aluminiumplatte
Ablenkbarkeit
ja, da negativ
nein, da keine
durch elektrische
geladen; Richtungs- Ladung vorhanden
oder magnetische
bestimmung mit der
Querfelder
Linken-Hand-Regel
Ionisationsvermögen sehr hoch (q=20)
relativ gering q=1
relativ gering q=1
Reichweite
sehr gering
groß
sehr hoch
Energie
einheitlich bei einem unterschiedlich
Ausbreitung mit
bestimmten Nuklid verteilt bis ca.
Lichtgeschwindig99% der
keit
Lichtgeschwindigkeit
Unter der Halbwertszeit T eins radioaktiven Stoffes versteht man die Zeit, nach der noch
die Hälfte dieses Stoffes vorhanden ist.
Zerfallsgesetz:
t
T
A(t) = A0 ·  1 
 2
t
T
m(t) = m0 ·  1 
 2
t
T
N(t) = N0 ·  1 
 2
7. Energie
Die aus den natürlichen Energiequellen (Holz, Kohle, Erdöl, Erdgas, Sonne, Wind, Wasser)
gewonnene Energie nennt man Primärenergie.
Die von Kraftwerken, Raffinerien… bereitgestellte Energie nennt man Sekundärenergie.
Die Energie, die dem „Verbraucher“ zur Verfügung steht nennt man Endenergie.
Die Energie, die wir für einen gewünschten Zweck einsetzen , heißt Nutzenergie.
Einheiten: 1 kJ = 10³J 1MJ = 106 J
1 GJ = 109 J
1 TJ = 1012 J
Es gibt nicht erneuerbare Energiequellen (fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl, Erdgas, und
nukleare Brennstoffe wie Uran) und erneuerbare (regenerative) Energiequellen (Sonne,
Wasser, Wind, Biomasse, Geothermie)
Die wesentlichen Bestandteile eines jeden Kraftwerks sind
Dampfkessel,
Turbine,
Generator,
(innere Energie des Dampfs)
(Rotationsenergie)
(elektrische Energie)
η
η
η
η
Gesamtwirkungsgrad einer Anlage: gesamt = 1 · 2 · 3 …