Grundwissen Physik Elektrotechnik und Atomphysik

9. Jahrgangsstufe
Lehrtext
Physik- Grundwissen
Grundwissen Physik 9– Teil 1
Definitionen und Sätze
Beispiele
Wichtige Grundlagen der Elektrik
Der elektrische Stromkreis wird durch die Größen
Widerstand R, Spannung U und Stromstärke I bestimmt. Die Spannung U ist die Ursache für den
Elektronenfluss, die Stromstärke I bestimmt, wie
viele Ladungen pro Zeiteinheit durch den Querschnitt eines Leiters fließen. Es gelten im einfachen
Fall, dass es sich um einen Ohmschen Leiter handelt
die folgenden Gesetze:
• Definition der Stromstärke
I=
∆Q
∆t
• Definition des Ohmschen Widerstands
U
R=
I
• Definition der elektrischen Leistung
P = UI
• elektrische Arbeit
Der Ohmsche Widerstand hat die folgende Einheit
[R] = 1
V
= 1Ω
A
Die Einheit der elektrischen Leistung ist
[P ] = V · A = 1 W
Man kann die Leistung im Fall eines Ohmschen Leiters durch den Widerstand und die Stromstärke ausdrücken:
U = RI ⇒ P = U I = RI 2
P = RI 2
An einem Kraftwerk liegen 20,0 kV an und das Kraftwerk hat eine Leistung von 22,0 kW. Bestimme die
Verlustleistung der Leitung, wenn diese 2,00 Ω Widerstand hat:
I=
22000 W
P
=
= 1,10 A
U
20000 V
Pv = RI 2 = 2,00 Ω · (1,10 A)2 = 2,42 W
Wel = U It
Das elektromagnetische Feld
Ein Permanentmagnet und ein stromdurchflossner
Leiter besitzt ein magnetischer Feld. Das magnetische Feld ist der Bereich im Raum, auf den eine anziehende, bzw. eine abstoßende Kraft auf einen weiteren Leiter oder magnetischen Stoff wirkt.
Magnetfelder lassen sich durch Feldlinien veranschaulichen. Dabei gelten die folgenden Konventionen:
• Die Magnetfeldlinien zeigen vom Nord zum
Südpol.
Magnetfeld eines Stabmagneten
• Sind die Feldlinien zueinander parallel, dann
handelt es sich um ein homogenes Feld.
• Magnetfeldlinien schneiden sich nie.
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Definitionen und Sätze
Das elektrische Feld
Beispiele
Das Feld zwischen zwei Punktladungen:
Jeder elektrisch geladene Körper besitzt ein elektrisches Feld. Unter dem elektrischen Feld versteht man
den Bereich, indem auf weitere elektrisch geladene
Körper eine anziehende oder abstoßende Kraft wirkt.
Zwischen zwei elektrisch geladenen
Körpern wirkt eine
• anziehende Kraft, wenn zwei ungleichnamige Ladungen
• abstoßende Kraft, wenn zwei
gleichnamige Ladungen
Auf einen frei beweglichen Ladungsträger wirken in
einem elektrischen Feld Kräfte, die eine Richtungsänderung und eine Beschleunigung bewirken.
aufeinandertreffen.
Elektrische Felder werden durch elektrische Feldlinien veranschaulicht. Dabei gilt, dass die Feldlinien
von + nach − zeigen.
Die elektrischen Feldlinien zeigen die
Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper an.
Elektromagnetische Induktion
Bewegt sich ein geladenes Teilchen im Magnetfeld,
dann wirkt auf dieses Teilchen eine Kraft. Die Richtung der Kraft wird durch die Rechtehanderegel ermittelt:
Setzt man eine Leiterschaukel in einem Magnetfeld
eines Hufeisenmagneten unter Strom, dann bewegt
sich die Leiterschaukel. Die Bewegungrichtung wird
mit der UVW- Regel bestimmt:
Der Daumen steht für die Ursache
der Kraft, nämlich für die technische
Stromrichtung. Der Zeigefinger steht
für die Vermittlung der Kraft, nämlich
das Magnetfeld. Der Mittelfinger zeigt
dann nach dem unten gezeigten Prinzip
die Wirkungsrichtung der Kraft an.
Wird die Leiterschaukel durch eine Leiterschleife ersetzt, dann führt die Leiterschleife eine Drehbewegung aus, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen wird.
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Definitionen und Sätze
Beispiele
Elektromagnetische Induktion 2
Wird eine Spule über ein inhomogenes Magnetfeld
bewegt, dann wird zwischen den Enden der Spule
eine Spannung induziert. Wird diese mit einem geschlossenen Stromkreis verbunden, so fließt ein Induktionsstrom .
Die Richtung des Induktionsstroms wird über die
UVW- Regel (Rechtehandregel genannt) ermittelt.
Die Regel von Lenz beschreibt den Zusammenhang
zwischen Richtung des Induktionsstroms und der Ursache für den Induktionsstrom:
Der Induktionsstrom ist immer seiner
Ursache entgegen gerichtet.
Eine wichtige Anwendung für die Induktion ist der
Transformator. Er besteht aus zwei Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl auf einem Eisenkern.
Zur Vermeidung von Störfeldern wird der U- Kern
mit einem Joch geschlossen. Für den Transformator
gilt das folgende Gesetz:
Ein Transformator eines E- Werks hat eine Primärspule mit 50 Wicklungen und eine Sekundärspule
von 10000 Windungen. Auf der Primärseite liegt eine Spannung von 230 V an. Die Leitung hat einen
Widerstand von 10 Ω Das Kraftwerk hat eine Leistung von 25 kW. Berechne die Sekundärspannung
den Wirkungsgrad der Stromübertragung.
Usec = Up ·
10000
50
= 46000 V
Usec = 230 V ·
Usec
Bestimmung der Verlustleistung:
I=
P
= 5,4 · 10−4 A
Usec
Pv = RI 2 = 10 Ω(5,4 · 10−4 A)2
Pv = 2,95 W
Gesetz des Transformators
Up
np
=
Usec
nsec
nsec
np
η=
P − Pv
= 99,9%
P
Grundlagen der Atomphysik
Die Atome sind aus Elektronen in der Atomhülle und
Protonen und Neutronen im Atomkern aufgebaut.
• Ein Upquark hat die Ladung + 23 e
• Ein Downquark hat die Ladung − 13 e
• Das Proton besteht aus 2 Upquarks und 1 Downquark.
• Das Neutron besteht aus 1 Upquark und 2
Downquark.
Bei der Beschreibung im Periodensystem der Elemente (PSE) ist A die Massenzahl und Z die Kernladungszahl. Es gilt
A
ZX
Ist die Anzahl N die Neutronenanzahl, dann gilt
Anzahl der Neutronen bei
235
92 U
A = 235
N =A−Z
N = 235 − 92 = 143
Größenverhältnisse in einem Atom:
• Atomradius r = 10−10 m
• Atomkern rk = 10−14 m
• Proton r = 10−15 m
• Quark und Elektron r = 10−18 m
A=Z +N
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Definitionen und Sätze
Beispiele
Energieniveaus in Atomen
Da die Elektronen in der Hülle des Atoms verschiedene Positionen einnehmen, haben sie unterschiedliche
Energiewerte, die man als Energieniveaus bezeichnet.
Die Photonen sind Energieportionen,
die beim Übergang von einem angeregten Energiezustand in einen niedrigeren übergehen. Den niedrigsten Zustand bezeichnet man als Grundzustand .
Die Photonen sind extrem kleine Energiemengen. Bei
rotem Licht 3·10−19 J und bei blauen Licht 5·10−19 J.
In diesem Zwischenbereich ist es uns möglich, die
Photonen als farbiges Licht wahrzunehmen.
Die Photonenenergie entspricht dabei einer genau
festgelegten Farbe in dem Linienspektrum eines Gases. Spektren von Gasen sind linienförmig, Spektren
von glühenden Körpern kontinuierlich.
Die Einheit Elektronenvolt entspricht einer Arbeit,
welche durch die Elementarladung bei einer Spannung von 1 V leistet:
Bilder mit dem Selbstbauspektrometer
• Spektrum einer Energiesparlampe
• Spektrum einer Glühbirne
• Spektrum einer Leuchtstoffröhre
1 eV = 1,6022 · 10−19 As · 1 V
1 eV = 1,6022 · 10−19 J
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