PPh_12

Einführung in die Physik
für Pharmazeuten und Biologen (PPh)
Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik
Klausur:
Montag, 11.02. 2008 um 13 – 16 Uhr (90 min)
Willstätter-HS
Buchner-HS
Nachklausur: Freitag, 18.04. 2008 von 14:30 bis 16:30 Uhr
Willstätter-HS
Web-Seite zur Vorlesung :
http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_07_08/pph/
Vorlesung Physik für
Pharmazeuten und Biologen
PPh - 12
Induktion
Wechselstrom
elektrischer Motor, Generator
elektrischer Schwingkreis
Grundgesetze Elektromagnetismus
Strahlungsfeld Hertzscher Dipol
Elektromagnetische Wellen
Bewegte Ladung und Magnetfeld
Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters
Magnetische Feldstärke B [Tesla=Vs/m2]
µ0 I
B=
2⋅π ⋅ r
µ 0 = 4π ⋅10
I : Stromstärke
r : Abstand
−7
Vs
Am
Magnetische Erregung (Feldstärke) H [A/m]
H=
I
2⋅π ⋅ r
B = µ0 H
"rechte Hand Regel"
Kraftwirkung von Magnetfeldern auf bewegte Ladungen
v
v v
F = q⋅v × B
B
x
F
x
Lorentzkraft
+
x
x
v
x
x
v
B
v
v
v
F
Faraday: Induktion in einem bewegten Leiter
Kraftwirkung vom Magnetfeld auf Ladungen im bewegten Leiter
+
-
B
v
I
l
+x
Im konstanten Magnetfeld ist die induzierte Spannung proportional
zur Änderung der von der Leiterschleife umschlossenen Fläche.
Uind
dA
dx
⋅B
⋅B⋅l =
=
dt
dt
Leiterschleife
Induktion im ruhenden Leiter bei
veränderlichem Magnetfeld
Induktion mit Stabmagnet u. Spule
Faraday’sches Induktionsgesetz:
Definition Magnetischer Fluß
A
v v
A⋅s = A
v v
Φ = B⋅A
Φ = B⋅A
Für A⊥B
allgemein Φ = B ⋅ A ⋅ cosα
α : Winkel zwischen A und B.
Φ
Magn. Feld =magnetische Flußdichte: B =
A
[T](Tesla)
Faraday’sches Induktionsgesetz:
Die in einem Leiter induzierte Spannung ist der zeitlichen Änderung
des magnetischen Flusses durch die Leiterfläche proportional
Uind
dΦ
=−
dt
Uind = −
d (B ⋅ A)
dA ⎞
⎛ dB
= −⎜
⋅ A+
⋅ B⎟
dt
dt
⎝ dt
⎠
Anwendung: Der Generator
Φ = B ⋅ A ⋅ cos(ω ⋅t) → Uind
(cos(ω ⋅t))
Φ
= B ⋅ A ⋅ ω ⋅sin(ω ⋅t)
= −d = −B⋅ A⋅ d
dt
dt
ω : Winkelgeschwindigkeit,
ω• t : Winkel zwischen Fläche A und Feld (B).
Versuch Generator
mit Generator erzeugter Wechselstrom
U(t) = U0 sin(ω ⋅ t + ϕ )
2π
ω=
T
f =
ω 1
=
2π T
Europa U0=325 V und f=50 Hz, Amerika U0=155 V f=60 Hz
Die Umkehrung des Generators:
Elektromotoren
7: Kommutatoren
(Polwender)
Die Lenzsche Regel
Infolge der induzierten Spannung Uind fließt in einer geschlossenen Leiterschleife
ein Strom der selbst ein Feld eBind ereugt. Die Richtung in die der Strom fließt
wird festgelegt durch die Lenzsche Regel :
dΦ
Uind = −
dt
"Alle durch eine Änderung des magnetischen Flusses induzierten
Spannungen sind stets so gerichtet, daß die von ihnen hervorgerufenen
Ströme die Ursache der Induktion zu hindern versuchen."
“Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, daß sein Feld der Ursache der
Induktion entgegenwirkt.”
Versuch Lenzsche Regel
Grundgesetze des Elektromagnetismus
1.
E =
1
4 πε
0
Q
r2
Ladungen sind Quellen elektrischer Felder
(Coulomb Gesetz)
2.
Es gibt keine magnetischen “Ladungen”
oder magnetische Monopole.
3.
µ I
B= 0
2 ⋅π ⋅ r
4.
Uind
d (BA)
=−
dt
Ströme erzeugen Magnetfelder mit
geschlossenen Feldlinien (Ampère'sche Gesetz)
Eine zeitliche Änderung des magnetischen
Flusses in einer Leiterschleife erzeugt eine
elektrische Spannung
(Faraday'sche Induktionsgesetz).
v
v v v
FEM = q ⋅ (E + v × B )
In einem elektromagnetischen Feld
wirkt auf eine Ladung die Summe aus
Coulomb- und Lorentzkraft
Strom und Magnetismus: die Spule
N ⋅I
B = µ0 ⋅
l
Ampère'sche Gesetz
magnetische Feldstärke
in einer Spule
Uind
d (BA)
=−
dt
Faraday'sche Induktionsgesetz
Energiespeicherung
• Kondensator
EnergieKondensator
C 2
= U
2
• Spule
EnergieSpule
L 2
= I
2
Tafel
Spule und Kondensator: der elektrische
Schwingkreis
C 2 L 2
U + I = const
2
2
ω=
1
L ⋅C
T = 2π L ⋅ C
Energieerhaltung
Eigenfrequenz
"Getriebener" elektrischer Schwingkreis
Energiezufuhr
durch Schalter
Meißnersche Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung von
ungedämpften Schwingungen
Der Hertzsche Dipol
Der Hertzér Original Aufbau
Höchste Frequenzen lassen sich bei kleinsten Werten von L und C erzielen.
Reduktion des Schwingkreises zum Stab -> Hertz’scher Dipol
Versuch Dipolstrahlung
Das Strahlungsfeld des Hertz`schen Dipols
Elektromagnetische Wellen
Polarisation
Ein senkrecht zum Sendedipol ausgerichteter Empfangsdipol nimmt keine
Strahlungsenergie auf. Die Strahlung ist polarisiert.
Polarisationsrichtung
des Lichts
Orientierung
des Polarisators.
E
B
ϕ
Die Transmission der EM Welle hängt vom
Polarisationswinkel ϕ ab.
el. Feldvektor
Intensität:
ET = E 0 ⋅ cos(ϕ )
IT = I0 ⋅ cos (ϕ )
2
Mikrowellen-Polarisatoren
Spektrum elektromagnetischer Wellen: