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Grundwissen
GYMNASIUM ALBERTINUM
COBURG
Physik/ 8.Klasse
Energie
Die Energie (eines Körpers oder eines Systems) ist eine Größe, die sich aus den Beträgen verschiedener Energieformen
zusammensetzt. Mit Energie können Körper ortsverändert, beschleunigt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von
Strahlung veranlasst werden. Dementsprechend unterscheidet man folgende
Energieformen: kinetische Energie, Höhen-, Spannenergie, elektrische Energie, Strahlungsenergie,Wärme
Mechanische Energien:
m 2
E k = ⋅v
< kinetische Energie
Bsp.: PKW (800 kg, 40 m/s ) Y Ek = 0,5A800 kg A1600 m²/s² = 640 kJ
2
< Höhenenergie
Bsp.: Betonbehälter (800 kg, durch Kran 10 m gehoben))
E H = m⋅ g ⋅ h
Y Ek = 800 kg A 10 N/ kg A 10 m = 80 kJ
< Spannenergie
E Sp =
D 2
⋅s
2
Bsp.: Bungieseil (D = 100 N/m, 20 m Dehnung
)
Y Esp = 0,5 A100 N/m A 400 m² = 20 kJ
Für Höhen- und Spannenergie verwendet man auch den Begriff potentielle Energie.
< Elektrische Energie: E = UAI At
Wärme: E = Q
Es gibt Systeme, in denen sich die Energieformen im Lauf der Zeit ineinander umwandeln: z.B. eine Kugel fällt auf ein Federkatapult.
Es gilt der Energieerhaltungssatz (Reibungsfreiheit): Die Summe aller mechanischen Energien bleibt konstant: EH + Ek + Esp = const
z.B. EH(1) = EH(2) + Ekin(2)
oder
Esp(4) = EH(5) + Ekin(5)
Allgem. Energieerhaltungssatz (EES): In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien zeitlich unverändert.
(abgeschl.System heißt: kein Energie-Anteil verlässt das System oder kommt von außen hinzu)
Veränderung des Energiegehalts (∆
∆ E):
Die Energie eines Körpers (Systems) kann durch Verrichten von Arbeit (W) und/oder Zufuhr von Wärme(Q) verändert werden.
∆ E = W bzw. ∆ E = Q
1.Hauptsatz der Wärmelehre: ∆ Ei = W + Q
(Die Änderung der inneren Energie ist mit Arbeit oder Wärmezufuhr verbunden.)
Grundgleichung der Wärmelehre: Q = c A m A ∆T (Die bei Erwärmung zugeführteWärme (Energie) hängt vom Material, von der Masse
und von der Temperaturdifferenz ab.
Die Temperatur T wird in Grad ( /C) oder in K (Kelvin) angegeben. Es gibt eine tiefste mögliche Temperatur: -273 /C = 0 K.
0 /C = 273 K; 100 /C = 373 K
(absoluter Temp.-Nullpunkt)
GW Ph8 1/3
Aufbau der Materie
Alle Materie besteht aus kleinsten Teilchen. Die Teilchen sind ständig in Bewegung (je höher die Temperatur, desto heftiger).
Zwischen den Teilchen wirken Kräfte. Modellhaft kann man sich die Teilchen als harte Kügelchen vorstellen.
Aggregatszustände
flüssig
fest
Die Teilchen liegen eng
Innere Kräfte halten die
Teilchen an ihrem Platz, um den beieinander, sind aber
gegeneinander verschieblich.
sie hin- und her schwingen.
„
„
Festkörper sind
Flüssigkeiten sind
> inkompressibel
> inkompressibel
> formstabil
> formveränderlich
gasförmig
frei bewegliche Teilchen
mit freiem Raum dazwischen
Gase sind
„
> kompressibel
> formveränderlich
Innere Energie
Die Teilchen bewegen sich (auch im Festkörper: Schwingen um ihren Ort). Diese Bewegung (mittlere Geschwindigkeit)
korelliert mit der Temperatur des Körpers. Die Summe dieser kin. Energien aller Teilchen nennt man “innere Energie”.
Ist diese Bewegung “eingefroren”, so ist der absolute Temperatur-Nullpunkt erreicht.
Erhöhung der Inneren Energie: ∆ Ei = W + Q
Durch Verrichtung von Arbeit (W) od. Zufuhr von Wärme (Q) erhöht sich die innere Energie und damit die Temperatur.
Bsp.:
Die Temperatur des kalten Körpers steigt.
Elektrizität
Ladung ( Q ): Es gibt positive und negative Ladungsträger. Ein Körper ist positiv bzw. negativ geladen, wenn die Zahl der
positiven bzw. negativen Ladungen überwiegt. Elektrisch geladen wird ein Körper, indem man Ladungen
abstreift oder hinzufügt; in der Regel sind dies die beweglichen Elektronen.
Um elektrische Vorgänge zu verstehen benötigt man eine einfache Vorstellung von den Atomen (kleinste
Materieteilchen):
Die Elektronen sitzen außen und können leicht
abgestreift
werden.
Verhalten von Ladungen (elektrische Kräfte):
gleichnamige Ladungen
(+/+ bzw. - / - )
stoßen sich gegenseitig ab
ungleichnamige Ladungen
(+ / - bzw. - /+ )
ziehen sich gegenseitig an
Wenn man Ladungen trennt (Arbeitsaufwand!) und sammelt, dann entstehen elektrische Pole (Plus- bzw- Minus-Pol).
GW Ph8 2/3
Elektrischer Strom
Wegen der elektrischen Anziehungskräfte ziehen sich die Ladungen ungleichnamiger Pole an und können von einem
Pol zum anderen wandern. Elektronen können dies auch in Festkörpern, z.B. in Metalldrähten: sie wandern durch die
Lücken zwischen den Atomen. Dies ist ein elektrischer Strom.
Der Strom ist umso größer, je mehr Ladungen (Elektronen) an der Stelle A pro Zeitabschnitt vorbeiwandern.
Dies misst man durch die sogenannte Stromstärke I.
I=
∆Q
Die Stromstärkeeinheit ist 1 A (Ampere).
∆t
Elektrische Spannung
Die elektrischen Anziehungskräfte sind umso größer, je größer der Unterschied der Ladungen in den Polen ist, d.h. je
mehr Ladungen getrennt wurden, und d.h. je mehr Energie zur Trennung in Bezug auf die Ladungsmenge aufgewandt
wurde. Dies kennzeichnet man durch die elektrische Spannung, die zwischen den Polen liegt.
Die Spannung U ist gegeben durch
U =
∆E
. Einheit von U: 1 V (Volt)
Q
Elektrischer Widerstand
Die Elektronen fließen nicht ungehindert durch einen Draht. Sie stoßen immer wieder gegen die Atome und werden
abgebremst. Der (lange) Draht erzeugt den so genannten elektrischen Widerstand. Je größer die benötigte Spannung ist,
um eine bestimmte Stromstärke zu erhalten, desto größer ist der Widerstand R.
Es gilt das Ohmsche Gesetz:
U
= R
I
bzw.
U=RAI
Einheit für R:
1 Ω (Ohm) =
1V
/1 A
Elektrische Schaltkreise
Reihenschaltung
Parallelschaltung
<In einem Reihenstromkreis ist
die Stromstärke überall gleich.
<In einem Parallelstromkreis
liegt über den Zweigen die
gleiche Spannung UAB = U.
Es gilt:
<
U = U1 + U2
<
<
Es gilt:
<
I = I1 + I2
R = R 1 + R2
<
R1
U
= 1
R2
U2
R1
I
= 2
R2
I1
Beispielberechnungen:
In einem Stromkreis sind zwei Widerstände (10 Ω, 30 Ω)
hintereinander geschaltet. Wie groß ist die Stromstärke, wenn die
Spannungsquelle 12 V hat?
U=RAI Y I=U/R =
12 V
Ein 10 Ω− und ein 40 Ω-Widerstand werden parallel geschaltet.
Berechne den Gesamtwiderstand.
1
/R=
1
/ R1 + 1/ R2 = 1/10 Ω + 1/ 40 Ω = 5 / 40 Ω Y R = 8 Ω
/ 40 Ω = 0,3 A
GW Ph8 3/3
© S.Scherbel, CO