Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften
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Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde VL # 13, 19.05.2009 Vladimir Dyakonov Experimentelle Physik VI [email protected] Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI Elektrischer Strom • Elektrischer Strom • Wirkungen des elektrischen Stromes • Elektrischer Widerstand • Elektrische Netzwerke Kirchhoffsche Gesetze • Widerstandsmessung • Elektrische Leistung Stromwärme • Mikroskopische Betrachtung des Stroms Strom als Ladungstransport Ladungen werden transportiert: elektrischer Stromfluss im Leiter Welcher Zusammenhang besteht zwischen elektrischen Ladungen und elektrischem Strom? Ströme Verkehrsstrom = Autos über Ziellinie/Messzeit = Anzahl/Δt Wasserstrom = Wasservolumen /Messzeit = V/Δt Strom unabhängig von Querschnitt (kleinerer Querschnitt höhere Geschwindigkeit) Elektrischer Strom Elektrischer Strom I = Ladung durch Testfläche/Messzeit = Q/Δt Dimension des Stromes [I] = Ampere Ampere Basisgröße des SI Systems (wie Masse, Zeit, Länge) Stromstärken: Haushaltsgeräte 1..10A Elektronik µA bis mA Blitze 100kA (über kurze Zeit) Elektrischer Strom bewegte Ladung q Leiter + E – Idealisiertes Ersatzschaltbild I Leiter U Schaltbilder: Spannungsquelle: U = const. = verlustfreier Leiter Definition der Stromrichtung Voraussetzung für einen Stromfluss: Potenzialgefälle (Spannungsquelle) Geschlossener Stromkreis Ampere hat die Stromrichtung vom Pluspol zum Minuspol festgelegt (technische Stromrichtung) Die Elektronen in metallischen Leitern fließen vom Minuspol zum Pluspol (Elektronenstromrichtung) Spannungsquelle Wie groß ist der Strom in einem geschlossenen Kreis? Abhängig von der Stärke der Quelle Zur Charakterisierung der "Stärke" der Quelle führt man die Größe "elektrische Spannung U" ein. Die Spannung kennzeichnet die Fähigkeit der Quelle, in einem angeschlossenen äußeren Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten, sie ist also die Ursache für den Strom. Der Druchfluss (Strom) hängt von der Höhe (Potenzialdifferenz) ab. Ohne Pumpe würde Strom nicht kontinuierlich fließen Beachte: Strom nur bei geschlossenen Kreis; Spannung auch bei offenen Kreis Wirkungen des Stromflusses: Wärmewirkung Tauchsieder Glühbirne Schmelzsicherung (begrenzt Strom) Ströme erzeugen Magnetfelder Ørsted 1820 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 Elektrolyse Wirkungen des Stromflusses: Chemische Wirkung Galvanisieren: das elektrolytische Abscheiden von metallischen dünnen Schichten Entstehung einer Spannung 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
