Vorlesung 4
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1 Wiederholung: Stromstärke: I= ∆Q ∆t Einheit 1 Ampere, C = A·s Elektrischer Widerstand: U R= I U = R⋅I Einheit 1 Ohm, Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Ω = V/A Caren Hagner V4 18.5.2007 2 Standard Widerstände: Verstellbare Widerstände (Potentiometer) Aber auch dies sind Widerstände: E-Herd Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Lampen El. Heizofen Caren Hagner V4 18.5.2007 3 Wiederholung: Elektrischer Strom: Leitungsmechanismen a) Metalle: • frei bewegliche Elektronen im Metallgitter • Widerstand durch Stöße der Elektronen mit dem Gitter • Bei Erhöhung der Temperatur nimmt der Widerstand zu b) Halbleiter (und schlechte Leiter): • Bei niedriger Temperatur: wenig freie Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), deshalb hoher Widerstand. • Bei Erhöhung der Temperatur, gibt es immer mehr freie Ladungsträger, deshalb nimmt die Leitfähigkeit zu. (d.h. der Widerstand nimmt ab). c) Elektrolyte (wässrige Lösungen von Säuren, Basen, Slazen): • Ladungsträger sind die Ionen (Anionen und Kathionen). • Widerstand durch Viskosität der Flüssigkeit Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 4 Versuch zur Stromleitung in einem Elektrolyten: + + 1. Faraday Gesetz: ∆m ~ ∆Q 2. Faraday Gesetz: ∆m ~ M Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Verkupfern - ∆m = elektrolytisch transportierte Masse ∆Q = elektrisch transportierte Ladung M = molare Masse der Ionen Caren Hagner V4 18.5.2007 5 Leitungsmechanismen für elektrischen Strom: Stromwirkung, Gefahr für den Organismus durch elektrischen Strom: Besonders gefährlich: 50 Hz Wechselstrom aus Steckdose Höhere Frequenz ist weniger gefährlich (Reizleitung über Stofftransport zu langsam) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 6 Grenze für Dauer ∆t des Elektroschocks mit Strom Imax bei der gerade noch kein Herzflimmern auftritt: I max 0.116 1 / 2 = As ∆t Beispiel: Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 7 5.2.3 Stromarbeit und Elektrische Leistung Die Ladung ∆Q fließt in der Zeit ∆t durch das Material, dazu ist Arbeit nötig: Wohin geht diese Energie? Wärme! Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 8 Versuch: Strom-Spannungs-Kennlinie U Kohlefadenlampe Ohmscher Widerstand Metallfadenglühlampe I Erklärung: Der Widerstand hängt von der Temperatur ab (hoher Strom, hohe T.) Metalle: Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. Halbleiter und schlechte Leiter: Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 9 Spannungsabfall über einem Widerstand Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 10 5.2.4. Elektrische Netzwerke Kirchhoffsche Regeln: 1.) In einem Knotenpunkt eines Netzwerkes ist die Summe der einfließenden Ströme gleich der Summe der ausfließenden Ströme. 2.) Die Summe aller Quellenspannungen und Spannungsabfälle längs einer beliebigen, geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist gleich Null. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 11 Serienschaltung (Hintereinanderschaltung) von Widerständen U R1 U R2 Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin R = R1+R2 Caren Hagner V4 18.5.2007 12 Parallelschaltung von Widerständen R1 R1R2 R= R1 + R2 R2 U Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin U Caren Hagner V4 18.5.2007 13 Beispiel zur Berechnung des Gesamtwiderstands eines Netzwerkes: 1.Schritt Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin 2.Schritt Caren Hagner V4 18.5.2007 14 Strom – und Spannungsmessung 1. Spannungsmessgerät (Voltmeter) Ein Spannungsmessgerät sollte einen großen Innenwiderstand haben um die Messung nicht zu verfälschen. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 15 Strom – und Spannungsmessung 2. Strommessgerät (Amperemeter) mA Ein Strommessgerät sollte einen kleinen Innenwiderstand haben um die Messung nicht zu verfälschen. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 16 Spannungsquellen: Rq Uq UK R Beispiel: Anlassen des Automotors bei eingeschaltetem Scheinwerfer: Viel Strom fliesst, → UK sinkt, → Lampen werden kurz dunkler. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V4 18.5.2007 17 Galvanisches Element 2 verschiedene Metalle, 1 gleicher Elektrolyt Beispiel: + Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin - Caren Hagner V4 18.5.2007 18 Konzentrationselement Beispiel: + Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin - Gleiche Elektroden, in 2 Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration Caren Hagner V4 18.5.2007
