Sexl Physik 7, Schulbuch

123 | Gleichspannungsgenerator: pulsierende Gleichspannung durch Kommutator. Elektromotor: Umkehrung des Generators. Durch Strom- fluss rotiert die Spule im Magnetfeld. Dynamo-elektrisches Prinzip: Magnetfeld wird durch Elektromagnet erzeugt, der vom Spulenstrom gespeist wird. Spulen und Kondensatoren verhalten sich in Wechsel- stromkreisen anders als Ohm’sche Widerstände: Zwischen Spannung und Strom besteht eine Phasenverschiebung , d. h. ihre Nulldurchgänge sind nicht gleichzeitig. Mittlere Leistung im Wechselstromkreis: = ½ I S · U S ·cos φ = I eff · U eff ·cos φ Transformatoren bestehen aus zwei über einen Eisenkern gekoppelte Spulen (Windungszahlen N 1 , N 2 ) und wandeln Wechselspannungen, bzw. Ströme: U 2 : U 1 = N 2 : N 1 , I 2 : I 1 = N 1 : N 2 Die Bereitstellung elektrischer Energie erfolgt über Hoch- spannungsnetze , weil für die gleiche übertragene Leistung geringere Stromstärken und damit geringere Ohm’sche Ver- luste auftreten. Im Hochspannungsnetz wird Drehstrom verwendet. 4 Halbleiter Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls beruht auf frei beweglichen Ladungsträgern: Elektronen und Elek- tronenlöcher. Elektronenlöcher verhalten sich wie positive Ladungen. Die sehr geringe Leitfähigkeit nimmt mit stei- gender Temperatur zu. n-Leiter (Elektronenüberschussleiter): Wird Silicium mit einem fünfwertigen Element wie Phosphor dotiert, entsteht ein dotierter Halbleiter , dessen Leitfähigkeit durch das leicht ablösbare fünfte Elektron der Fremdatome beträcht- lich erhöht wird. p-Leiter (Elektronenmangelleiter): Wird Silicium mit einem dreiwertigen Element wie Bor dotiert, wird für die B-Si- Bindung ein zusätzliches Elektron gebraucht, das einer Si- Si-Bindung entstammt, an der ein Elektronenloch entsteht. Elektronenlöcher wandern bei angelegter Spannung wie positive Ladungen und erhöhen die Leitfähigkeit. Die Kombination von n- und p-Leitern ermöglicht vielfältige nützliche Bauelemente. Halbleiterdioden lassen Strom nur in einer Richtung durch (Durchlassrichtung), bei anderer Polung sperren sie (Sperr- richtung). Sie wirken wie elektrische Ventile. Transistoren werden als Schalter und Verstärker eingesetzt. Optoelektronische Bauelemente: Leuchtdiode, Photodiode, Photowiderstand, Solarzelle, CCD. 5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Der Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen reicht von wenigen Hertz (extreme Langwellen) über Radiowellen (MHz) und sichtbares Licht ( 10 14 Hz ) bis zur Röntgen- und Gammastrahlung (über 10 19 Hz ). Geschlossener Schwingkreis: In einem Schwingkreis aus Kondensator und Spule können Ladungen harmonisch schwingen. Dabei ändern sich die Spannung am Kondensa- tor und der Strom durch die Spule mit der Schwingungs- frequenz: f = = . Der Energieverlust (Dämpfung) durch Ohm’sche Verluste und Abstrahlung muss durch Energiezufuhr mittels Rück- kopplung ausgeglichen werden. Hochfrequente Schwingun- gen erhält man durch Verkleinerung von L und C . Eine Dipolantenne ( λ /2 -Antenne, Dipol) besteht nur aus ei- nem leitenden Stab (Länge l ). In der Antenne können ste- hende elektrische Wellen schwingen. Die Grundschwingung hat die Wellenlänge λ = 2 l und die Eigenfrequenz f = c /(2 l ) . Dipolschwingungen: Durch induktive Kopplung mit einem Schwingkreis passender Frequenz werden im Dipol La- dungsschwingungen angeregt, in der Umgebung des Dipols entstehen veränderliche elektrische und magnetische Fel- der . Die Felder breiten sich als elektromagnetische Wellen aus, deren Wellenlänge die doppelte Antennenlänge beträgt. Beschleunigte Ladungen sind die Ursache elektromagnetischer Wellen. Die Abstrahlung erfolgt radial symmetrisch um die An- tennenachse, am stärksten senkrecht zum Dipol, keine Ab- strahlung erfolgt in Richtung der Antennenachse. Die elektrische Feldstärke schwingt in einer Ebene durch die Dipolachse. Elektrische und magnetische Feldstärke ste- hen senkrecht zu einander und zur Ausbreitungsrichtung: Elektromagnetische Wellen sind transversal polarisiert . Alle elektromagnetische Wellen breiten sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit c ≈ 300 000 km/s aus. Elektromagnetische Wellen zeigen die vom sichtbaren Licht bekannten Erscheinungen: Reflexion, Beugung, Interfe- renz, Polarisation . Praktische Nutzung elektromagnetischer Wellen In der Nachrichtentechnik werden hochfrequente Wellen entsprechend der zu übertragenden Information modu- liert ( AM , FM ). Im Empfänger wird durch abstimmbare Schwingkreise die gewünschte Trägerwelle ausgewählt und das niederfrequente Signal vom hochfrequenten Träger ge- trennt. Mobilfunknetze (UMTS, GSM) nutzen Dezimeterwellen, sie sind räumlich in Zellen organisiert und versorgen gleichzei- tig mehrere Teilnehmer. Mikrowellengeneratoren erzeugen Zentimeterwellen, die z. B. zur Erwärmung von Speisen in Mikrowellenherden und in der Medizin zur Kurz- und Mikrowellentherapie dienen. Die UV-Strahlung in Solarien bewirkt durch chemische Prozesse eine Pigmentierung der Haut, kann aber auch Hautkrebs hervorrufen. Durch Abbremsung energiereicher Elektronen im elektri- schen Feld der Atomkerne der Anode einer Röntgenröhre entsteht Bremsstrahlung ( Röntgenstrahlung ). Eine mögliche biologische Wirkung schwacher elektroma- gnetischer Felder (Handy) könnte direkt thermisch (Erwär- mung von Gewebe) und nicht-thermisch (Zellschädigung) erfolgen. Eine Schädigung durch Mobilfunk lässt sich der- zeit nicht belegen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv