Kapitel 28 - Stromkreise Tipp für die Vortrag: Kelvin
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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 1 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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 2 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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. 3 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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. 4 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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. 5 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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 6 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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. 7 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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 ∝ 8 v (Ladung Geschwindigkeit) FB ⊥ v WS/2014 FB ∝ Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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 9 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! 2- Verlaufen die beiden Vektoren und E. Resconi 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 10 WS/2014 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi 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. 11 WS/2014 12 Vertiefung Experimentalphysik 1 (LB-Technik)! E. Resconi
