Sexl Physik 7, Schulbuch

| 122 Zusammenfassung 1 Elektrisches Feld Elektrizität ist eine fundamentale Wechselwirkung in der Natur. Elektrische Phänomene sind z. B. die Reizweiter- leitung zwischen Nervenzellen und die Signalübertragung mittels elektromagnetischer Wellen. Die Materie ist aus Teilchen aufgebaut, die sowohl Masse besitzen als auch elektrische (positive, negative) Ladung tragen (Elektronen, Protonen, Ionen) oder insgesamt neut- ral sind (Neutron, Atome und Moleküle). Die Ladung eines Körpers ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarla- dung e = 1,6·10 –19 C (Coulomb). Ladungen üben gegenseitig Kräfte aus. Die Kraft zwischen Punktladungen ( Q 1 , Q 2 ) im Abstand r wird durch das Coulomb’sche Gesetz beschrieben: , ε 0 = 8,854…·10 –12 C 2 /(N·m 2 ) elektrische Feldkonstante, Die Kraftrichtung liegt in der Verbindungslinie der Ladun- gen, Anziehung bzw. Abstoßung erfolgt zwischen Ladungen mit verschiedenem bzw. gleichem Vorzeichen. Als Feld bezeichnet man eine physikalische Größe, z. B. die elektrische Kraft zwischen Ladungen, die in jedem Punkt des dreidimensionalen Raums einen bestimmten Wert (Be- trag und – bei vektoriellen Größen – Richtung) hat. Mit einer Probeladung q (die möglichst klein gewählt wird) kann die Kraft in der Umgebung einer Ladungsverteilung ausgemessen werden. Als Feldstärke E einer Ladungsverteilung wird der Quotient aus ihrer Kraft F auf eine Probeladung und deren Ladung q bezeichnet: . (Einheit: N/C ) Darstellung elektrischer Felder durch Feldlinien Feldlinien beginnen in positiven und enden in negativen Ladungen. Die Feldlinien sind umso dichter, je größer der Betrag der Feldstärke E ist. Bei der Verschiebung einer Ladung im Kraftfeld ist nur dann kein Arbeitsaufwand notwendig, wenn sie senkrecht zu den Kraftlinien (auf Flächen gleicher potenzieller Ener- gie, Äquipotenzialflächen) erfolgt. Elektrische Spannung U (Potenzialdifferenz; Einheit: Volt) ist der Quotient aus der Energiedifferenz W zwischen zwei Punkten auf verschiedenen Äquipotenzialflächen und der verschobenen Ladung q : U = W / q (Einheit: Volt . 1 V = 1 J/C ) Kondensatoren speichern elektrische Ladungen. Die Kapa- zität C ist der Quotient aus gespeicherter Ladung Q und der Spannung U zwischen den Kondensatorplatten: C = Q / U (Einheit: Farad . 1 F = 1 C/V ). Ein Isolator zwischen den Kondensatorplatten schwächt durch seine Polarisierung das elektrische Feld, senkt die Spannung und erhöht dadurch die Kapazität. 2 Elektrischer Strom und Magnetfeld Elektrische Ströme verursachen Magnetfelder. Magnetfel- der werden grafisch durch Feldlinien dargestellt. Die Dich- te der Feldlinien ( magnetische Flussdichte ) entspricht der Stärke des Magnetfeldes. Magnetische Feldlinien sind im- mer geschlossen, es gibt keine einzelnen magnetischen La- dungen. Die Kraft eines magnetischen Feldes B auf einen elektri- schen Strom I ist durch die Lorentzkraft F = I · B · s ·sin α bestimmt ( s Länge des Leiters im Magnetfeld, α Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetfeld). Lorentzkraft auf eine bewegte Ladung q (Geschwindigkeit v ): . Im homogenen Feld bewegen sich Teilchen auf Schrauben- bahnen um die Magnetfeldlinien. Das Magnetfeld eines Leiters , durch den ein Strom I fließt, beträgt im Abstand r , magnetische Feldkonstante µ 0 = 4 π ·10 –7 N·A –2 . (Einheit des Feldes B : Tesla. 1 T = 1 N/(Am) = 1 Vs/m 2 . ) Das Magnetfeld im Inneren einer langen Spule ist homo- gen, hängt von der Stromstärke und von der Zahl der Win- dungen pro Längeneinheit ab. Die zeitliche Änderung eines Magnetfeldes, genauer des magnetischen Flusses Φ durch eine Leiterschleife, indu- ziert eine Spannung U ind , die im geschlossenen Stromkreis zum Fließen von Strom führt: U ind = –d Φ /d t . Im homogenen Feld: Magnetischer Fluss Φ = A · B ·cos α . α ist der Winkel zwischen Magnetfeld und Flächennormale. Selbstinduktion: Ändert sich der Strom durch eine Spule, so bewirkt die gleichzeitige Flussänderung eine induzierte Spannung, die der Stromänderung entgegenwirkt: U ind = – L ·d I /d t , L ist die Induktivität der Spule (Einheit: Henry . 1 H = 1 Vs/A ). 3 Elektrotechnik Die Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Grundla- ge unseres Alltags. Die Erzeugung von elektrischem Strom durch Generatoren und die Änderung der Spannung in Transformatoren beruhen auf dem Induktionsprinzip , die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie in Motoren beruht auf der Lorentzkraft . Wechselspannungsgenerator: Eine im Magnetfeld rotieren- de Spule erzeugt durch Induktion eine Wechselspannung: U ind ( t ) = U S sin ω t . Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv