Kapitel 28 - Stromkreise Tipp für die Vortrag: Kelvin

WS/2014
Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)!
E. Resconi
Kapitel 28 - Stromkreise
“Pumpen” von Ladung oder Spannungsquellen Batterie: [1]
Nehmen wir eine Batterie (V): beim Aufladen werden im Akku Ladungen
getrennt, die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol),
auf der anderen Seite abgezogen (Pluspol). Dadurch entsteht eine
elektrische Spannung V zwischen den Polen.
Schließen wir einen Widerstand R an die Batterie an, so entsteht ein
geschlossener Stromkreis und die Ladungen fließen durch das Kabel
und den Widerstand und gleichen sich in die Batterie aus, die Batterie
entlädt sich.
I= Q/ t ; I = V/R
In welche Richtung fliehst die Strom I (oder Stromstärke)? In welche Richtung
ist das Elektrische Feld E? [1]
In Physik wird die Stromrichtung definiert als die Richtung, in der sich positive
elektrische Ladung bewegt. (http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/
publication/konzepte/5_herrmann.pdf)
In der Batterie, E ist gegen I. Die Strom muss gepumpt werden in der
Batterie. Es muss eine Quelle von Energie in der Spannungsquelle
vorhanden sein, die Arbeit an den Ladungsträgern verrichtet sodass sie
bewegen können.
Etwas ist gebraucht für diese Pumpe. Arbeit muss geleistet werden. Energie
muss von irgendwo kommen. Für die Batterien, diese Energie kommt
normalerweise von chemische Energie.
Es gibt auch andere Möglichkeiten:
Tipp für die Vortrag: Kelvin-Generator
Man kann das Influenzeffekt bei ganz normalem Wasser nutzen und hohe
Spannungen zu erzeugen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Kelvin-Generator
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Kupfer-Zink-Element (Versucht)
Wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung befinden, entsteht
eine Spannung (galvanische Zelle).
Die chemische Reaktion produziert mehr Energie als die die gebraucht ist für die
SO4-- ionen gegen die Elektrische Feld.
Die elektromotorische Kraft (EMK) auch als Urspannung bezeichnet, ist die
historische Bezeichnung für die Quellenspannung einer elektrischen
Spannungsquelle
Ideal Spannungsquelle
Nehmen wir R = infite => I = 0 und
VAB =
[Volts]
elektromotorische Kraft
Eine ideal Spannungsquelle setzt der Bewegung der Ladung von Pol zu Pol
innerhalb der Spannungsquelle keinen Widerstand entgegen. So besteht bei einer
idealen Batterie mit einer Spannung von 12 V immer auch eine Potenzialdifferenz
von 12 V zwischen ihren Polen.
Reale Spannungsquelle (jede Batterie)
Jede Batterie setzt der Bewegung der Ladunsträger in ihr einen Widerstand, der
Innenwiderstand (ri) entgegen. Von Ohm:
= I (R + ri)
Zurück zu den Stromkreis [1]: in jedem differenziellen Zeitintervall dt bewegt sich
eine differenzielle Ladung dq durch einen beliebigen Querschnitt des Stromkreises
aa’. Die Spannungsquelle muss an der Ladunsmenge dq eine Arbeit dW
dW/dt = dq / dt ΔV
dass ist LEISTUNG (POWER)
dq/dt = Strom
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P=IV
wenn Ohm Gesetz V = IR
P = I2 R = V2/R
[Joule / sec ] = Watt
Beispielen:
I=1A
I = 2A
R = 100 Ohm
R = 100 Ohm
Verlustleistung in R = 100 W
400 W
Fur eine Batterie:
P=I
= I2 (R + ri)
R = 0 => Imax =
Pmax =
/ ri
2/
ri = Imax 2 ri
in der Batterie
Duracell
=qV
ri = 2 Ohm
Imax = 4.5 A
Pmax = 40 W
Galvanische Zelle
http://de.wikipedia.org/wiki/Galvanische_Zelle
Eine galvanische Zelle, galvanisches Element oder galvanische Kette ist eine
Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.
Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten
bezeichnet man als galvanisches Element, und sie dienen als
Gleichspannungsquellen.
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Elektroden
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolyse
Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff
und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes. Die wichtigste Anwendung
dieser Elektrolyse ist die Gewinnung von Wasserstoff, die allerdings bisher
technisch nur genutzt wird, wenn günstige elektrische Energie zur Verfügung steht,
da andernfalls andere Herstellungsmethoden günstiger sind, z. B. ausgehend von
Erdöl oder Kohle. Wenn diese Rohstoffe und Energieträger knapp werden, könnte
die Wasserelektrolyse im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft, die Wasserstoff als
Energieträger nutzt, bedeutsam werden.
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Berechnung des Stroms in einem Stromkreis
R1, R2, R3, V1, V2 gegeben
Berechnen I1, I2, I3
Der Stromkreis umfasst ideale Batterien V1,
V2
Innenwiderstand sind sehr klein.
Zwei Regeln:
(1) M a s c h e n r e g e l ( K i r c h h o f f 1 ) : D i e a l g e b r a i s c h e S u m m e a l l e r
Potenzialänderungen beim vollständigen
Durchlaufen eines beliebigen geschlossenen
Weges in einem Stromkreis ist null (Summe aller
Spannungen einmal im Kreis herum)
(2) Verzweigungsregel: (Ladungserhaltung: was fließt in muss auch raus fließen) In
einem Verzweigungspunkt eines Stromkreises ist die Summe aller eingehenden
Ströme gleich der Summe aller ausgehenden Ströme.
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Konventionen:
Spannungsregel: Bewegt man sich durch eine ideale Spannungsquelle in Richtung
des Spannungspfeils so ist die Potenzialänderung gleich +, in Gegenrichtung ist sie
gleich -.
Wenn wir in Kreise bewegen (2) ist erfüllt.
-V1 -I1R1-I1R3 + I2R3 = 0
-I2R3 + I1R3 -I2R2 + V2 = 0
zwei Gleichungen zwei Variablen
I3 = I1 - I2
Vertiefung in der Wissenschaft
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Kapitel 29 - Magnetfelder
(Geschichte des Magnetismus- http://www.bogen-electronic.com/geschichte-desmagnetismus-german.html)
1 - Magnet : altgriechiesch Stein aus Magnesia, Präfekture der Verwaltungsregion
Thessalien i n Griechenland . In M a g n e s i a w a r e n v i e l e n a tü rl i cher
Magneteisensteine.
2- chinesische Quellen: Die ersten Kompasse, sogenannte magnetische Wagen
oder "Wagen, die nach Süden zeigen" gab es in China spätestens seit dem ersten
nachchristlichen Jahrhundert. Zwei Polen!
Zwei Polen: A|B. A |A oder B|B stoßen sich ab, A|B, B|A ziehen sich an.
3- W. Gilbert (1550-1600) zeigte dass die Erde insgesamt als ein einziger Magnet
mit zwei Polen angesehen werden muss. Entscheidend jedoch waren seine
eigenen Experimente mit einem kugelförmigen Magneten, den er „Terrella“ (Latein
„kleine Erde“) nannte.
4- Hans Christian Ørsted (1777-1851) (dänischer Physiker) entdeckte die
magnetische Wirkung des elektrischen Stromes (Strom in einem Draht produziert
ein Magnetfeld)
5- von Ørsted Amper, Faraday, Maxwell !
==> Magnetismus, zusammen mit Elektrostatik, ist eine der vier Grundkräfte der
Physik. Die vier fundamentalen Wechselwirkungen Gravitation,
Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung.
Eine fundamentale Wechselwirkung ist einer der grundlegend verschiedenen
Wege, auf denen sich physikalische Objekte (Körper, Felder, Teilchen, Systeme)
gegenseitig beeinflussen können.
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Das Magnetfeld
Plastikstab -> Vektorfeld (elektrisch Feld E) in alle Punkten des Raums.
Ein Magnet erzeugt in allen Punkten des ihn umgebenden Raums ein Vektorfeld B
(http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetismus). Magnetfelder entstehen zum einen bei
jeder Bewegung von elektrischen Ladungen.
Magnetfelder können verursacht werden durch
•
•
•
magnetische Materialien, etwa einen Dauermagneten,
elektrische Ströme, z. B. eine stromdurchflossene Spule oder
zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes.
Magnetische Feldlinien veranschaulichen in jedem Punkt des Feldes Richtung und
Richtungssinn des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses.
In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen –
magnetische Monopole sind zwar denkbar, alle experimentellen Tatsachen
sprechen aber gegen ihre Existenz.
Konvention: Die Rechte-Hand-Regel
Magnetische Kraft (auf einen stromdurchflossenen Draht)
29-7
Wenn elektrischer Strom durch einen Draht läuft, wird ein kreisförmiges Magnetfeld
erzeugt. [15]
F=IxB
in electromagnetismus
Fel = q E
können wir etwas ähnlich schreiben? NEIN weil wir haben bis jetzt keine
Magnetische Monopole! wir brauchen eine Ladung in Bewegung!
FB ⊥ B
FB ∝
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v (Ladung Geschwindigkeit) FB ⊥ v
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FB ∝
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q
B übt eine Kraft
FB auf eine Ladung q die mit eine Geschwindigkeit v in B sich
bewegt aus, die so genannte Lorentzkraft:
FB = q v x B (vektorprodukt)
der Betrag ist:
FB = |q| v B sin phi
wo phi ist der Winkel zwischen den Richtungen der Vektoren v und B.
Lorentzkraft (FE = elektrische Komponente der Lorentzkraft, FB magnetische
Komponente)
[B] in SI = N sec / C m = Tesla
1 Tesla ist ein sehr stark B,
1 Gauss = 10 -4 Tesla (keine SI unit, aber sehr benutz)
Erdmagnetfeld circa 1/2 Gauss
Tabelle 29-1 Beispielen von B Werte.
FB wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes und senkrecht zur
Bewegungsrichtung der Ladung
Note:
1- im Gegensatz zur Ablenkung einer Ladung im elektrischen Feld keinerlei Arbeit
verrichtet, anders gesagt: Die kinetische Energie einer allein durch ein Magnetfeld
gleichbleibender Stärke abgelenkten Ladung
und damit auch ihre
Bahngeschwindigkeit bleiben dabei unverändert
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2- Verlaufen die beiden Vektoren
und
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parallel oder antiparallel zueinander,
wird
gleich 0, anders gesagt: Bewegt sich eine Ladung in Feldlinien-richtung
eines Magnetfelds oder genau entgegen-gerichtet, findet keinerlei Ablenkung statt.
Tipp für den Vortrag:
- 29-3 Die Entdeckung des Elektrons
- 29-6 Zyklotron und Synchrotron
Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife
Elektromotor Kontex
(http://freeweb.dnet.it/motor/Kap1.htm#1.3)
Bei Elektromotoren entsteht das Drehmoment durch die Wechselwirkung von
Ständer- und Ankermagnetfeld, die von Kupferdrahtwicklungen, die sich am
Ständer und am Anker des Motors befinden, hervorgerufen werden
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Wissenschaftliche Vertiefung:
Materie und Antimaterie vernichten sich gegenseitig zu Energie oder werden
simultan aus Energie erzeugt. Wenn aber diese Symmetrie in der Erzeugung und
Vernichtung von Materie und Antimaterie gilt, dann sollte sie doch wohl auch zum
Zeitpunkt der Entstehung des Universums, zum Zeitpunkt des Urknalls, gegolten
haben. Oder haben sich die Gesetze der Physik auf dem Weg bis heute geändert
und es galten zu Beginn allen Werdens andere Gesetze als heute? Wo ist die
Antimaterie geblieben, die im Urknall entstanden sein muss? (http://
www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/bausteine/antimaterie/antimaterie-imuniversum/)
Der Ursprung der Materie:
warum bei der Entstehung des Universums weit mehr Materie als Antimaterie
entstand? (http://amscimag.sigmaxi.org/4Lane/ForeignPDF/2004-03Cline_Ger.pdf)
Elektrisches Dipolmoment des Neutrons (def from wikipedia)
Das elektrische Dipolmoment des Neutrons (englisch Neutron electric
dipole moment nEDM) ist ein Maß für die Verteilung positiver und negativer
Ladungen innerhalb des Neutrons. Ein von Null verschiedenes Dipolmoment
kann nur existieren, wenn die Zentren der positiven und negativen
Ladungsverteilungen innerhalb des Teilchens nicht zusammenfallen. Anhand
des gemessenen Wertes lässt sich das Standardmodell, bzw. dessen
Erweiterungen, überprüfen. Bisher konnte das nEDM nicht nachgewiesen
werden. Die obere Grenze liegt derzeit bei dn < 2,9·10–26 e·cm
Unser sichtbares Universum besteht überwiegend aus Materie und nur zu
einem geringen Bruchteil aus Antimaterie. Beide Materiearten zerstrahlen
beim Zusammentreffen unter Energiefreisetzung in einer sogenannten
Annihilations-Reaktion.
• Einerseits gibt es die Möglichkeit anzunehmen, dass diese Asymmetrie
eine (zufällige) Anfangsbedingung des Universums darstellt.
• Andererseits wäre es aber naheliegender davon auszugehen, dass
Materie und Antimaterie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen
vorlagen und die Asymmetrie erst dynamisch während der Entwicklung
des Universums bis zum heutigen Zeitpunkt entstand. Theoretische
Modelle, die dies bewerkstelligen, werden unter dem Begriff
Baryogenese zusammengefasst.
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