physik 2. elektrizität / magnetismus. · • es kann ein (ladungsträger-)strom fließen (ionen,...

Physik 2. Elektrizität / Magnetismus.

SS 16 | 2. Sem. | B.Sc. Oec. und B.Sc. CH

3Physik Elektrizität

Quelle: Wikipedia, Theo Schacht

Themen

• Elektrostatik• Elektrodynamik• Magnetismus• Elektromagnetismus

Physik Elektrizität/Magnetismus

ELEKTROSTATIK

6Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik

Phänomen statische Aufladung(SP)• Reibung bestimmter (Kunst-)

Stoffe erzeugt statische Aufladung• Haare, Staub, kleine

Papierschnitzel (…) werden angezogen

• Pullis (und andere Kleidungsstücke) knistern beim Ausziehen

• man erhält einen Schlag• Eigenschaft „antistatisch“ ist

ein Verkaufsargument

Anwendung Elektrostatik (1/2)

• Statische Aufladung in Technik wichtig• Elektrophoresekammer• Reinigungstechnik• Drucker, Kopierer• Lackierstraßen

Anwendung Elektrostatik (2/2)

10Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität

Elektro-Staubabscheider

Quelle: Energiewelten/

Ursache statischer Aufladung (1/2)• Erforderliche Modellvorstellung für

Atome: Schalenmodell• punktförmige negative geladene

Elektronen umkreisen• positiv geladene Atomkerne• auf Kugelschalen

(mit unterschiedlichem Abstand zum Kern)• Alle Stoffe haben eine riesige Anzahl

von Ladungsträgern (s. Avogadrozahl)• negative Ladung: Elektronen• positive Ladung: Atomkerne

• Ladung wird in Coulomb [C] gemessen• Coulomb, Charles de, 1736 - 1806• Ladung eines Elektrons: q = 1,602·10-19C

• Unter Normalbedingungen neutralisieren sie sich • Gesamtladung Q = 0 C

Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik

Ursache statischer Aufladung (2/2)• Bei Nichtleitern entsteht durch Reibung zu geringem Teil

Ladungstrennung• Elektronen werden von den Atomkernen getrennt• auf den reibenden Gegenstand übertragen und entfernt

• Körper ist entweder • positiv geladen (Elektronen“mangel“)• negativ geladen (Elektronenüberschuss)

• Zwei geladene Körper • stoßen sich bei gleicher Ladung ab (+/+; -/-)• ziehen sich bei ungleicher Ladung an (+/-)

Coulomb-Kraft (SP)

Coulomb-Kraft

mitBetrag der Ladung des Körpers 1 in C

Betrag der Ladung des Körpers 2 in C Abstand der Körper in m

Beispiel Coulomb-Kraft (1/2) (SP)

• Warum ist Wasser ein polares Lösungsmittel? • Sauerstoffatom bindet Elektronen

der Wasserstoffatome stärker an sich

• Wasserstoffatome leicht (!) positiv geladen

• Sauerstoffatom leicht (!) negativ geladen

Wasserstoffbrückenbildung (Chemie, Biochemie!)

• Coulomb-Kraft verstärkt Oberflächenspannung bei Wasser

• Aber: Keine Ladungstrennung, sondern Ladungsverschiebung!

Beispiel Coulomb-Kraft (2/2)

Aufgabe Coulomb-Kraft

• Wie groß ist die Coulomb-Kraft zwischen einem Wasserstoff-Atomkern (q = 1,602·10-19 C) und einem Elektron (q=–1,602·10-19 C) bei einer Entfernung von• 0,529 m?• 52,9 pm (Elektron umkreist Atomkern)

Blitz & Donner (SP)

Quelle (2): HALLIDAY

• Durch die Ladungstrennung entsteht eine elektrische Potenzialdifferenz oder Spannung(-sdifferenz), gemessen in Volt (Volta, Alessandro, 1745 – 1827)

• Die Spannung wird größer, je mehr Ladungen getrennt werden

• Bei genügend großer Spannung kommt es zur Entladung

• Je kleiner der Abstand desto geringer die erforderliche Überschlagsspannung

Vulkanausbruch(SP)

Was passiert bei einem Überschlag?• Isolation ist für die Spannung nicht mehr

ausreichend • Ladungstrennung wird (teilweise) aufgehoben• Ladungsträger strömen von einem Körper zum

anderen• Ladungsträgerstrom → Elektrodynamik

Überschlag

• Überschläge können auch sinnvoll sein• Zündkerze• Elektroschweißgerät• Piezo-Zündung

(Gasherd)• … oder auch nicht

• Kurzschlüsse• Spannungsüberschläge

• Zündanlagen• Hochspannungsleitungen

Schutz vor Überschlägen (SP)

• gute Isolation• Faraday‘scher Käfig

Quelle: HALLIDAY

ELEKTRODYNAMIK

27Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik

Elektrodynamik

• Unterschied zur Elektrostatik• Ladungsträger müssen sich bewegen können

• Leiter bzw. Halbleiter (in elektronischen Bauelementen) erforderlich

• es kann ein (Ladungsträger-)Strom fließen (Ionen, Elektronen, „Löcher“)

• Spannungsquelle erzeugt• elektrische Spannung(-sdifferenz)• Stromfluss im Leiter

Stromfluss

• Wie viele Ladungsträger passieren pro Sekunde den Leiter?

• 6,24·1018 Ladungen/s = 1 C/s = 1 A (Ampère, André 1775 – 1836)

• Fast immer sind Elektronen die Ladungsträger• physikalischer Stromfluss von

„-“ nach „+“• technischer Stromfluss von

„+“ nach „-“

Hier zählen!

elektrische Spannungen

• unterscheiden, wie sich die elektrische Spannung zeitlich verändert• Gleichspannung• Wechselspannung

• einphasig• dreiphasig

• (Rechteck-, Dreieckspannung)

30Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung

Gleichspannung

0 0,5 1 1,5Zeit in s

Wechselspannung, einphasig

Netzspannung: U0 = 325V; f = 50Hz; U(t) = 325V sin(2·50Hz·t)Effektivspannung (= gemessene Spannung): 230V~

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Zeit in s

1/50 s

Wechselspannung, dreiphasig

-400-300-200-100

0100200300400

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Zeit in s

P hase 1 P hase 2 P hase 3

120° 120°

Steckdosen, ein- und dreiphasig

400 V Steckdose230 V Steckdose

Ohm‘scher Widerstand

Integriertes Praktikum, Versuch „WID“• Idealfall: Nur Widerstände haben einen

(definierten) Widerstand• Realität: Fast alle Bauteile (auch Kabel!) haben

einen Widerstand• Ausnahme: Supraleiter • Formelzeichen: R• Maßeinheit: Ohm

35Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis

Ohm‘sches Gesetz (SP)

• Georg Simon OHM (1787 - 1854)• Widerstandsberechnung

Allgemein: in Eselsbrücke:

1parallele Widerstände:

serielle Widerstände:

Elektrische Leistung und Arbeit (SP)• Aus der Mechanik-Vorlesung bekannt

• Definition der elektrischen Arbeit

KAPAZITÄT (KONDENSATOR)

40Physik Elektrizität/Magnetismus

Kapazität• Kapazität besteht aus

• zwei „Platten“• Isolation zwischen ihnen

• Spannungsquelle „lädt“ Kapazität auf• Elektronenüberschuss auf

der negativen Platte• Elektronenmangel auf der

positiven Platte• Entladung über

Anwendung Elektrodynamik (2/2)(SP)

Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität 43

Quelle: Data Input GmbH

Elektrotechnische Wirkung einer ZelleKörperfettmessung (BIA-Methode)

• Zellwände = Kapazität• Zellflüssigkeit und intracelluläre Flüssigkeit =

Ohmscher Widerstand• Verwendung einer Wechselspannung mit

verschiedenen Frequenzen → IP2, Versuch RCL

Kapazität eines Kondensators(SP)• Betrachte Plattenkondensator• Kapazität C im Wesentlichen abhängig von den

geometrischen Größen• Plattenabstand d• Fläche der Platten A

Wie viel Ladung ist auf einem Kondensator? (SP)• Coulombkraft: Elektronen stoßen sich ab, halten

möglichst großen Abstand• Wie bekommt man viele Ladungen auf die

Platte?• Große Kapazität C, die möglichst vielen Ladungen

Platz bietet• Hohe Spannung U, die mehr Elektronen auf die

negative Platte „drückt“ und von der positiven Platte „saugt“

Laden eines Kondensators (SP)Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität

212aufgenommene elektrische Energie: KapE C U

0 2 4 6 8 10Span

Zeit t [s]

Wichtige Zeitpunkte in der Ladekurve

Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität

1 12 2

1 1 0 0

ln(2)1

2 0 02

53 3 0 0

Technisch:

0 ( ) 0

( ) 1 0,63

(ln(2) ) ( ) 1

: Halbwertszeit

5 ( ) 1

( ) lim 1t

t s U t V

t U t U e U

t t U t U e U

t U t U e U

t U t U e

Zeichnen Sie und t½ einPhysik Elektrizität/Magnetismus Kapazität

0 2 4 6 8 10

Zeit t [s]

Entladen eines Kondensators (SP)

212abgegebene elektrische Energie: KapE C U

0 2 4 6 8 10Span

Zeit t [s]

Entladen

Wichtige Zeitpunkte in der Entladekurve

0 0 00 ( )t s U t U

1 1 0 0( ) 0,37t U t U e U

1 12 2

ln(2)1

2 0 02(ln(2) ) ( )t t U t U e U

53 3 0Technisch: 5 ( ) 0Vt U t U e

4 4 0( ) lim 0Vt

tt U t U e

MAGNETISMUS

Anwendungen (SP)

• Induktionskochfelder• Transformatoren• Elektromechanik• Elektronik

(z.B. Metalldetektoren)

57Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität

Quelle: http://www.tagderkueche.de/images/2005/presse/7.jpg

Besteckseparation in der MensaPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 58

Magnetismus

• verschiedene Arten von Magneten • dauerhaft magnetische Stoffe (Permanentmagnete)• stromdurchflossene Leiter → Elektromagnetismus

• Ein Magnet übt durch das ihn umgebene Magnetfeld eine Kraft aus auf • magnetisierbare Stoffe• elektrisch geladene Teilchen

Modellvorstellung Magnetismus

• Magnete bestehen aus vielen Elementarmagneten• Elementarmagnete besitzen immer

• Nordpol• Südpol• es gibt keine einzelnen Nord- oder Südpole

• je besser die Elementarmagnete ausgerichtet sind, desto stärker ist das Magnetfeld → Kraft des magnetischen Feldes (magnetische Kraft)

S NS N

Magnetfeldlinien

• Magnetisierbare Körper (Eisenfeilspäne) und andere Magnete richten sich anhand der Magnetfeldlinien aus

• Je größer die Kraft des Magneten, desto dichter sind seine Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld B

Quelle: Wikipedia, Geek3 Quelle: Großmann nach Wikipedia, Meyer

Erdmagnetfeld

• Erdmagnetfeld lenkt geladene Partikel, die von der Sonne kommen, zu den Polen ab (Polarlichter) → magnetische Kraft

• Ohne Erdmagnetfeld kein Leben möglich, Verhältnisse wie auf dem Mars

• Kraft des magnetischen Feldes richtet Kompassnadel parallel zu den magnetischen Feldlinien aus

Quelle: Wikipedia, NASA

Schweben von Lasten Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 63

Reibungsfreie Lagerung von Achsen

Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 64

ELEKTROMAGNETISMUS

Stromdurchflossener Leiter

• Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld

• Die Feldlinien verlaufen zylindrisch um den Leiter

• Die Richtung des Magnetfelds hängt ab von• der Stromflussrichtung• der Polarität der

Ladungsträger• „Rechte-Faust-Regel“• Zu Spulen aufgewickelter

Draht vervielfacht das Magnetfeld

Elektromagnetismus (SP)

Quelle: HALLIDAY

• Angewendet zur Herstellung von• Elektromagneten• Spulen

• Beide bestehen im Wesentlichen aus• aufgewickeltem Draht

(Spule)• Eisenkern (optional)

• Nutzt den Zusammenhang zwischen• Elektrizität• Magnetismus Elektromagnetismus

Elektromagnetismus, qualitativ• Leiter: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld z.B. Elektromotor• Induktivität: Änderungen des Stromflusses in einer Spule

verändert die Stärke des Magnetfelds• Änderungen der Stärke des Magnetfelds induzieren in einem

vom Magnetfeld eingeschlossenen Leiter (also auch in der Spule selbst!) eine Spannung (Spannung der Selbstinduktion, Induktionsspannung)

• Je stärker die Änderung, desto größer ist die Induktionsspannung (→ Versuch Leuchtstofflampe, HT-Praktikum)

• Induktionsspannungen• Arbeitsprinzip von Transformatoren zum

verlustarmen Umwandeln von Spannungen

• können elektronische Bauteile gefährden

Gleichstrommotor, FunktionsprinzipPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 70

Stator

Spannung– +

KommutatorRotor mit Wicklung

Gleichstrommotor, VideoPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 71

Quelle: Energiewelten/

Bewegte elektrisch geladene Teilchen im Magnetfeld• Die magnetische Kraft wirkt und verändert die

Flugbahn der Teilchen• Mathematisch:

Magnetische Kraft ist das Vektorprodukt aus Geschwindigkeit und Magnetfeld

• Anschaulich: • Die magnetische Kraft entsteht, wenn die Richtungen von

Magnetfeldlinien und Geschwindigkeit der Teilchen nichtparallel sind (optimal senkrecht zueinander stehen)

• Die Kraftrichtung steht senkrecht auf Magnetfeldlinien undGeschwindigkeit(-srichtung) der Teilchen

• Ermittlung der Kraftrichtung über die Rechte-Hand-Regel

Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus 72

Magnetische Kraft, Rechte-Hand-Regel

mit Magnetische Kraft in NLadung des Teilchens in C Geschwindigkeit des Teilchens in m/s

V sMagnetfeld in = Tm

F q v B

Quelle: Großmann nach Wikipedia/Canarris

Polarlicht

• Magnetische Kraft lenkt Partikel, die von der Sonne kommen, auf Spiralbahnen zu den Polen ab

Quelle: Wikipedia, Theo Schacht Quelle: Wiebke Salzmann

Massenspektrometer

Kombination aus• Ionenquelle

• Magnetfeld • Detektor

75Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus

Massenspektrometer – Ionenquelle

• Probe einbringen• Bestandteile werden ionisiert• Ionen werden durch ein

elektrisches Feld (Coulombkraft) beschleunigt

• Geschwindigkeit der Ionen ist von ihrer Masse abhängig: v(m)• Große Masse: Langsam• Kleine Masse: Schnell

Massenspektrometer – Magnetfeld

• Steht senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit

• Ist überall gleichstark (homogenes Magnetfeld)

• Anwendung der Formel für die Magnetische Kraft ergibt:Die Ablenkung der Ionen variiert mit ihrer Geschwindigkeit

Ionen mit großer Masse

Ionen mit kleiner Masse

Massenspektrometer – Detektor

• misst Anzahl der auftreffenden Ionen• Ionen Ladungsträger• Ladungsträger elektrischer Strom• Großer Strom viele Ionen

hoher Peak

• Rückschlüsse auf Zusammensetzung der Probe durch• Höhe der Peaks• Anordnung der Peaks

• „Fingerprint“ der Substanzen

Ionen mit großer Masse

Ionen mit kleiner Masse

Anwendung Massenspektrometer(SP)

• Qualitätssicherung• Prüfung von Rohwaren• Analyse von Aromen• Untersuchung von

Pfandflaschen auf problematische Rückstände (Sniffer)

Quelle: www.unisensor.de

Elektromagnetische Strahlung

• Durch Kombination aus • Spule• Kapazität • (Widerstand)kann elektrische Schwingungen erzeugen• Keyboard• Synthesizer

• Aus elektrischen Schwingungen lässt sich mit Antennen elektromagnetische Strahlung erzeugen und empfangen

Elektromagnetische Frequenzspektrum

Quelle: Wikipedia

sichtbarer elektromagnetischer Wellenbereich Optik

Handy, Radio, TV, RFID → IP2, Versuch RCL

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