Physik 9 I - Peter-Henlein

Grundwissen Physik
9. Klasse I
1. Wärmelehre
Die innere Energie eines Körpers enthält die Summe der kinetischen Energien
und der potentiellen Energien aller seiner Teilchen, sie ist eine Speichergröße.
Sie kann durch Zufuhr mechanischer Arbeit oder durch Zufuhr von Wärme
geändert werden. Ändert sich die innere Energie eines Körpers, so kann sich
seine Temperatur oder sein Aggregatszustand ändern.
Die Temperatur ϑ eines Körpers ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie
aller seiner Teilchen. Die Einheit der Temperatur ϑ ist 1°C oder 1 Kelvin = 1 K,
kurz [ϑ] = 1°C bzw. [T] = 1 K (bei der absoluten Temperaturskala)
Messgeräte sind Temperaturmessgeräte, im Volksmund Thermometer.
Nahezu alle Körper dehnen sich bei Erwärmung aus.
Wärme kann durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung von einem Körper auf
einen anderen übertragen werden. Innerhalb eines flüssigen oder gasförmigen
Körpers kann Wärmeströmung (Konvektion) stattfinden.
Längenausdehnung:
∆l = α⋅lo⋅∆ϑ (α ist der Längenausdehnungskoeffizient in
Volumenausdehnung aller Körper:
1
1
=
= 1°C-1 = 1K-1
°C K
∆V = γ⋅Vo⋅∆ϑ (γ ist der Volumenausdehnungskoeffizient in
Bei allen Gasen beträgt γ =
1
1
=
273K 273° C
1
1
=
= 1°C-1 = 1K-1
°C K
Gasgesetze:
Boyle-Mariotte, wenn die Temperatur konstant: p1⋅V1 = p2⋅V2
Das Volumen V eines abgeschlossenen Gases ist indirekt proportional zum Druck p.
V1 V2
=
Gay-Lussac, wenn der Druck konstant ist:
T1 T2
Das Volumen V eines abgeschlossenen Gases ist direkt proportional zur absoluten
Temperatur T.
Allgemeine Gasgleichung:
p 1 ⋅ V1 p 2 ⋅ V2
=
T1
T2
Erwärmungsgesetz:
Wth = c ⋅ m ⋅ ∆ϑ mit Wth: Wärme in der Einheit 1 kJ
c: spezifische Wärmekapazität in 1
kJ
kg ⋅ ° C
∆ϑ: Temperaturdifferenz in 1°C
Das Erwärmungsgesetz gilt nur innerhalb eines Aggregatzustandes.
Änderung des Aggregatzustandes:
Führt man einem Körper Wärme zu und bleibt die Temperatur dennoch konstant,
d.h. die mittlere kinetische Energie des Körpers ändert sich nicht, so ändert sich
der Aggregatszustand, d.h. die mittlere potenzielle Energie ändert sich.
ϑ
Wth
Es gilt: Schmelzpunkt eines Stoffes ist Erstarrungspunkt desselben Stoffes.
Siedepunkt eines Stoffes ist Kondensationspunkt desselben Stoffes.
Siede- und Schmelzpunkt sind druckabhängig und materialabhängig.
Den Übergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen bezeichnet man als
Verdampfen.
Die spezifische Verdampfungswärme wth ist die Wärme, die man benötigt, um
kJ
W
1 kg eines flüssigen Körpers zu verdampfen: wth = th mit [q] = 1
kg
m
Erfolgt das Verdampfen am Siedpunkt und innerhalb der gesamten Flüssigkeit,
so spricht man vom Sieden.
Erfolgt das Verdampfen unterhalb des Siedpunktes und nur an der
Flüssigkeitsoberfläche, so spricht man von Verdunsten.
Erster Hauptsatz der Wärmelehre:
Wth = ∆U + WVol (∆U ist die Änderung der inneren Energie,
WVol ist die Ausdehnungsarbeit)
WVol = p⋅∆V (p: Außendruck)
Die Dampfturbine
Hochgespannter Dampf (Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck) gelangt
über Rohrleitungen zur Dampfturbine. Dort durchströmt er eine große Anzahl
von Düsen, die kranzförmig in einem feststehenden Leitgitter angeordnet sind.
Der vor den Düsen langsam strömende Dampf entspannt sich und bekommt dabei
eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit. Der entspannte Dampf hat eine
niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck. Die Dampfstrahlen treffen
nun auf die Schaufeln des Laufrades und setzen dieses in schnelle
Drehbewegung.
Die Dampfteilchen geben einen Teil ihrer kinetischen Energie an die Schaufeln
des Laufrades ab und erzeugen dadurch ein nutzbares Drehmoment.
Das ganze wiederholt sich mehrmals, bis entspannter Wasserdampf mit
niedriger Strömungsgeschwindigkeit die Turbine verlässt und im Kondensator zu
Wasser kondensiert.
Magnetismus
Ferromagnetische Stoffe sind Eisen, Nickel und Kobalt, sowie alle Legierungen
mit der atomaren Gitterstruktur wie Eisen.
Ein Magnet hat immer zwei Pole: Nord- (rot) und Südpol (grün). (Dipolcharakter)
Magnetfeldlinien gehen immer vom Nord- zum Südpol.
Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Den kleinsten Magneten im ferromagnetischen Stoff stellen wir uns im Modell
als Elementarmagneten vor.
Magnetisieren heißt Ordnen von Elementarmagneten.
Der Raum um einen Magneten, in dem magnetische Kräfte wirken, heißt
Magnetfeld.
Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten herrscht ein homogenes
Magnetfeld.
Magnetfelder lassen sich mit ferromagnetischen Stoffen abschirmen.
Die Erde selbst stellt einen großen Magneten dar (ähnlich wie beim Stabmagnet).
Elektrizitätslehre
Ruhende elektrische Ladungen
Die kleinste positive Ladung (Elementarladung) trägt das Proton (sitzt im
Atomkern) die kleinste negative (Elementarladung) das Elektron (befindet sich in
der Atomhülle).
Ein Atom oder auch ein Körper ist positiv geladen, wenn er Elektronenmangel hat.
Ein Atom oder auch ein Körper ist negativ geladen, wenn er
Elektronenüberschuss hat.
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Ladungen haben Mengencharakter.
Ein Raum, in dem elektrische Kräfte wirken, heißt elektrisches Feld.
Unter elektrischer Influenz in einem Leiter versteht man die Verschiebung von
Ladungen innerhalb eines elektrischen Feldes.
Die Ladung Q hat die Einheit Coulomb (C).
Bewegte elektrische Ladung
Herrscht bei einem Metall ein elektrisches Feld, so werden die freien
Leitungselektronen darin beschleunigt, d.h. sie werden vom Minuspol der
Elektrizitätsquelle abgestoßen und vom Pluspol angezogen, bis sie mit
Atomrümpfen in Wechselwirkung treten und abgebremst werden, es erfolgt
erneute Beschleunigung, ...
Die Elektronenstromrichtung verläuft vom Minuspol der Elektrizitätsquelle zum
Pluspol.
Je mehr Ladungsträger in einer bestimmten Zeit durch einen Leiterquerschnitt
transportiert werden, desto größer ist die Stromstärke.
Definition:
Stromstärke I (Intensity) ist der Quotient aus der Ladung Q pro Zeit t.
1C
Q
1
Kurz I =
wobei [I] =
= 1 A (Ampere) 1 mA =
A
1s
t
1000
50 mA können bereits für den Menschen tödlich sein!!!
Strommessgeräte müssen immer in den Stromkreis geschaltet werden.
In jedem Stromkreis muss ein Energiewandler (Lampe, Elektrogerät) sein, sonst
spricht man von einem Kurzschluss.
Leiter für den elektrischen Strom sind alle Metalle, Kohle, Lösungen aus Salzen,
Säuren und Laugen sowie Gase bei hoher Temperatur oder Unterdruck und vor
allem auch der menschliche Körper.
Nichtleiter sind trockenes Holz, Plastik, Glas, Pappe, Gummi, destilliertes
Wasser und Gase im Normalzustand.
Durch elektrischen Strom entstehen die Wärmewirkung (Toaster), die
Leuchtwirkung (Glimmlampe), die magnetische Wirkung (Lastenhebemagnet) und
die chemische Wirkung (Elektrolyse).
Bei Gleichstrom erfolgt die Driftbewegung der Leitungselektronen (negativ
geladen, extrem kleine und sehr leichte Teilchen) in eine Richtung auf den
Pluspol der Elektrizitätsquelle zu. Bei Wechselstrom ändert sich die Polung der
Elektrizitätsquelle und damit die Richtung der Driftbewegung mit einer
Frequenz von 50 Hz.
Unser Stromnetz führt Wechselstrom:
Der schwarze oder braune Leiter ist der Phasenleiter, der blaue der Nullleiter
und der grün-gelbe der Schutzkontaktleiter, der bei einer Berührung der Phase
an das Gehäuse über eine Sicherung kurzschließt das Gerät ausschaltet.
Ein stromdurchflossener gerader Leiter hat ein Magnetfeld, dessen Feldlinien
konzentrische Kreise mit dem Leiter als Mittelpunkt sind.
Linke Faust Regel: Daumen in Elektronenstromrichtung, gekrümmte Finger zeigen
in Magnetfeldrichtung von Nord nach Süd.
Ein stromdurchflossener gerader Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft, die
senkrecht zur Elektronenstromrichtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung
ist.
Linke Hand Regel oder UVW-Regel: Daumen in Elektronenstromrichtung
(Ursache), Zeigefinger in Magnetfeldrichtung (Vermittlung), dann zeigt der
Mittelfinger die Kraftrichtung (Wirkung) an.
Die Kraft auf bewegte Elektronen im Magnetfeld heißt Lorentzkraft.
Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Weicheisenkern (ein- und ausschaltbar)
Ein Gleichstrommotor besteht aus einem Anker (Spule mit Weicheisenkern), der
sich in einem Magnetfeld drehen kann. Die Stromzuführung erfolgt über
Schleifbürsten und den Kommutator (zwei gegeneinander isolierte Halbringe).
Fließt Strom durch die Spule, so wird sie magnetisch und dreht sich im äußeren
Magnetfeld so lange, bis sich ungleichnamige Magnetpole gegenüberstehen.
Aufgrund ihres Schwunges dreht sie sich etwas weiter, so dass die
Schleifbürsten an den anderen Kommutatorhalbring wechseln, worauf sich die
Stromrichtung und die Magnetfeldrichtung im Anker ändern, so dass er sich
weiterdreht.
Bei einem Wechselstrommotor erfolgt die Stromzuführung über zwei
gegeneinander isolierte Schleifringe.
Elektrische Arbeit, elektrische Spannung, elektrische Leistung
Die in einem Stromkreis verrichtete elektrische Arbeit pro Ladung bezeichnet
man als elektrische Spannung U (urgency). Sie gibt an, wie stark die Elektronen
Wel
J
J
1 = 1
= 1 V (Volt)
angetrieben werden. U =
[U]
=
Q
C
As
Spannungsmessgeräte werden immer parallel geschaltet.
Größe
Symbol
Formel
Einheit
el. Arbeit
Wel
Wel = U⋅I⋅t
Wel = P⋅t
[Wel] = 1 J = 1 Ws
= 1 Nm
[Wel] = 1 kWh
1 kWh = 3600 kJ
El. Ladung
Elementarladung
(Elektron, Proton)
Q
e oder e+
Q=I⋅t
e= ±1,60 ⋅ 10-19 C
[Q] = 1As = 1C
Wärme
Wth
Wth = cm∆ϑ
Hubarbeit
WH
WH = FG h
[Wth] = 1 J = 1 Ws
= 1 Nm
[WH] = 1 J = 1 Ws
= 1 Nm
el. Spannung
U
el. Leistung
Pel
-
U=
[U] = 1 V = 1
Pel = U·I
[P] = 1 VA= 1 W
Wel
t
Wnutz Pnutz
η=
=
Wzu
Pzu
Pel =
Wirkungsgrad
η
J
As
Wel
Wel
= Q
I⋅ t
[P] = 1
J
s
η < 100%