Grundwissen Physik 9. Jahrgangsstufe Felder, Feldlinien Feld

Grundwissen Physik 9. Jahrgangsstufe
Felder, Feldlinien
Feld: Wirkungsbereich einer Kraft
Feldlinien: Darstellung der Kraftrichtung
(Tangentenrichtung), Stärke der Kraft (Dichte der
Feldlinien)
Magnetisches Feld: Wirkungsbereich eines Magneten
auf Probemagnete
Richtung der Feldlinien: Vom Nordpol zum Südpol
Elektrisches Feld: Wirkungsbereich einer Ladung auf
andere elektrische Ladungen
Elektrisches Feld eines Plattenkondensators
Richtung der Feldlinien: Kraftrichtung auf eine positive
Probeladung
Magnetfeld stromdurchflossener Leiter
Gerader Leiter: Magnetfeldlinien sind konzentrische
Kreise um den Leiter im Mittelpunkt
Rechte-Hand-Regel: Umfasst man den Leiter mit der
rechten Hand so, dass der abgespreizte Daumen in die
technische Stromrichtung zeigt, so zeigen die übrigen
gekrümmten Finger in die Richtung der Magnetfeldlinien.
Stromdurchflossene Spule: im Innern homogen, außen wie das Feld eines Stabmagneten
Elektromagnet: Ein Eisenkern im Innern der Spule wird magnetisiert und verstärkt so das Magnetfeld.
Kräfte auf Ladungen im Magnetfeld
Fließt ein Strom quer zu den Magnetfeldlinien, so wirkt eine Kraft auf den Leiter senkrecht zum Leiter und
senkrecht zum Magnetfeld.
U-V-W-Regel der rechten Hand: Weist der Daumen in die technische Stromrichtung (Ursache) und der
Zeigefinger in die Magnetfeldrichtung (Vermittlung), so zeigt der Mittelfinger in Richtung der Kraft auf den
Leiter (Wirkung).
Lorentzkraft: Kraft auf freie Ladungen, die sich quer zu den Feldlinien eines Magnetfelds bewegen.
Richtungsbestimmung mit der U-V-W-Regel
Beachte: Bei negativen Ladungen, also auch bei Elektronen ist die technische Stromrichtung entgegengesetzt
zur Bewegungsrichtung.
Induktion
Induktion im bewegten Leiter: Bei Bewegung eines Leiters (U) quer zu den Magnetfeldlinien (V) und zu
sich selbst, führt die Lorentzkraft zu einer Ladungsverschiebung (Elektronen) im Leiter. Das führt zu einer
Induktionsspannung und zu einem Induktionsstrom (W).
Induktion im ruhenden Leiter: Ändert sich das Magnetfeld in einer Spule, so tritt an deren Enden eine
Induktionsspannung auf.
Transformator: Die Wechselspannung U1 an der
Primärspule eine
sich
ständig ändernde
Magnetisierung und dadurch ein magnetisches
Wechselfeld in der Sekundärspule. Durch
Induktion entsteht an den Enden eine
Wechselspannung U2.
Für den unbelasteten
näherungsweise:
Transformator
gilt
Für
den
belasteten
näherungsweise:
Transformator
gilt
Atome
Ölfleckversuch: Größenordnung des Atoms
Aufbau des Atoms: Der Atomkern enthält nahezu die gesamte Atommasse. Er hat die positive Ladung
(Z=Ordnungszahl=Protonenzahl).
Die Atomhülle besteht aus Elektronen.
Kerndurchmesser
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die durch sehr starke Kernkräfte mit kurzer Reichweite
zusammen gehalten werden.
Es gilt:
, d.h. wenn ein Atomkern einen Durchmesser von 1mm hätte, dann hätte das
Atom einen Durchmesser von 10m.
Energieaufnahme und –abgabe von Atomen
Existenz diskreter Spektren bei Gasen
Existenz von Photonen (Energieportionen) (sichtbar
von ca. 1,7eV bis 3,1eV)
Atome absorbieren bzw. emittieren nur Photonen
bestimmter Wellenlängen (Energieportionen).
Modellvorstellung: Die Elektronen in der Atomhülle
können nur einzelne, diskrete Energiezustände
annehmen. Durch Energiezufuhr können sie in
höhere (angeregte) Zustände gelangen, aus denen
sie (evtl. über Zwischenzustände) wieder in den
Grundzustand
zurückkehren und dabei die Energie in Form
von Photonen (Lichtquanten) abgeben.
Röntgenstrahlung: Auch die Röntgenstrahlung enthält, neben dem Bremsspektrum, ein für das
Anodenmaterial charakteristisches Linienspektrum. Die Photonenenergien liegen weit über dem sichtbaren
Bereich. Diese Photonen werden frei bei Übergängen zwischen den Energieniveaus der inneren Elektronen
der Atomhülle.
Radioaktivität
Natürliche Radioaktivität:
Į-Strahlung:
; Reichweite in Luft wenige cm; Abschirmung durch Papier
ȕ-Strahlung: sehr schnelle Elektronen; Reichweite in Luft einige m; Abschirmung durch einige mm
Aluminium
Ȗ-Strahlung: energiereiche Photonen (noch energiereicher als Röntgenphotonen); Reichweite in Luft:
mindestens 100m; Abschirmung durch dicke Bleiplatten
Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend und ist deshalb für den Menschen gefährlich.
Als Schutz dienen folgende Maßnahmen (AAA):
• Abstand halten
• Aufnahme in den Körper vermeiden
• Abschirmen
Nachweisgeräte:
• Nebelkammer
• Geiger-Müller-Zählrohr
Die biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung wird in Sievert gemessen.
Zerfallsgesetz
A(t): Aktivität
A0: Aktivität bei t=0
th: Halbwertszeit
bzw.:
N(t): Anzahl der noch vorhandenen radioaktiven Teilchen nach der Zeit t
N0: Anzahl der radioaktiven Teilchen bei t=0
Charakteristisch für einen radioaktiven Stoff ist seine Halbwertszeit th:
Dies ist die Zeit, in der die Anzahl vorhandener radioaktiver Atomkerne auf die Hälfte abnimmt.
Anwendung: Altersbestimmung mit der C14-Methode
Bindungsenergie und Massendefekt
Die Masse eines Atomkerns ist immer kleiner als die Summe der Massen seiner Nukleonen (Kernteilchen).
Massendefekt:
Z: Protonenanzahl des Kern =Kernladungszahl=Ordnungszahl
N: Neutronenanzahl des Kerns
Nach Einstein entspricht diesem Massendefekt die Energie
. Sie wird bei der Bildung des
Atomkerns aus seinen Nukleonen frei und heißt deshalb Bindungsenergie.
Beispiele für frei werdende Bindungsenergie:
• Kernfusion in der Sonne
• Energiegewinnung aus Kernfunktion (funktioniert aber noch nicht – möglicherweise nie)
• Wasserstoffbombe
Kinematik und Dynamik
Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit
a=0
v=konst.=v0
Bewegungen mit konstanter Beschleunigung
Freier Fall auf der Erde: