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2013-05-10T18:54:12Z

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[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Grundwissen Physik|right]]
=[[Grundwissen Physik]] 9. Klasse=

==GWPh 9.1 Elektrik==

===Magnetisches Feld===

Ein '''Magnet''' ist ein Körper, der die sogenannten '''ferromagnetischen Stoffe''' (Eisen, Nickel, Kobalt und einige bestimmte Legierungen) anzieht.

Jeder Magnet hat mindestens zwei magnetische Pole, den '''Nord- und Südpol'''. Dabei ist der Nordpol der Pol, der bei freier Aufhängung des Magneten nach Norden zeigt.

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|'''Gleichnamige Magnetpole stoßen sich ab und ungleichnamige Magnetpole ziehen sich an!'''
|}

Jedes Magnetfeld lässt sich mithilfe eines '''Feldlinienbildes''' modellhaft veranschaulichen.
Die Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und schneiden sich nicht.
Am Feldlinienbild kann man erkennen, in welcher Richtung Kräfte auf kleine Magnete im Magnetfeld wirken.

[[Bild:Rechtefaustregel.jpg|thumb|right|Rechte-Faust-Regel]]
*'''Magnetfelder stromdurchflossener Leiter'''

Um stromdurchflossene Leiter (auch um stromdurchflossene Spulen) existiert ein Magnetfeld.
Der Zusammenhang zwischen technischer Stromrichtung und der Richtung des Magnetfeldes lässt sich mit der "'''Rechte-Faust-Regel'''" darstellen:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Wenn der abgespreizte Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung zeigt, so gibt die Richtung der anderen Finger die Richtung des Magnetfeldes an.
|}

 
[[Bild:Rechtehandregel.jpg|thumb|right|Rechte-Hand-Regel]]
*'''Lorentzkraft'''

Auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft.
Ist dabei die Magnetfeldrichtung senkrecht zum Stromfluss, so ergibt sich die Richtung der Kraft nach der "'''Rechte-Hand-Regel'''":

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Daumen in technischer Stromrichtung (von + nach -) ('''U'''rsache) und

Zeigefinger in Magnetfeldrichtung (von Nord nach Süd) ('''V'''ermittlung)

==> Mittelfinger zeigt in Richtung der Kraft auf den Leiter ('''W'''irkung)
|}

Diese Erscheinung nennt man '''elektromotorisches Prinzip''', welches z.B. bei elektrischen Messgeräten (Drehspulinstrument), bei Lautsprechern oder beim '''Elektromotor''' genutzt wird.

Die Kraft, die auf bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld wirkt, heißt die '''Lorentzkraft'''.

===Elektrisches Feld===
*'''Elektrisches Feld geladener Körper'''

Im Raum um einen elektrisch geladenen Körper existiert ein '''elektrisches Feld'''. Es lässt sich mithilfe eines '''Feldlinienbildes''' modellhaft veranschaulichen. Die elektrischen Feldlinien verlaufen vom positiv geladenen Körper zum negativ geladenen Körper, schneiden sich nicht und stehen immer senkrecht zur Leiteroberfläche.
Am Feldlinienbild kann man erkennen, in welcher Richtung Kräfte auf kleine positiv geladene Teilchen im elektrischen Feld wirken.

*'''Kräfte auf Ladungen im elektrischen Feld'''

Auf elektrisch geladene Teilchen wirkt in einem elektrischen Feld eine Kraft, sie werden also beschleunigt bzw. gebremst (Anwendung bei Elektronenstrahlröhre bzw. Oszilloskop).

===Elektromagnetische Induktion===
*'''Das Induktionsgesetz'''

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Ändert sich das Magnetfeld, das eine Leiterschleife (bzw. Spule) umfasst, so wird in dieser eine Spannung induziert.

Diese '''Induktionsspannung''' ist umso größer,
:*je schneller sich das Magnetfeld ändert,
:*je stärker sich das Magnetfeld ändert,
:*je größer die Windungszahl der Spule ist
:*und je größer die Querschnittsfläche der Spule ist.
|}

*'''Lenz'sche Regel'''

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass er seiner Ursache '''entgegenwirkt'''.
|}

*'''Generator'''

[[Bild:Generatoren.jpg|400px]]

Eine Anordnung, bei der sich eine Spule in einem Magnetfeld dreht, wobei an der Spule eine Induktionsspannung abgegriffen wird, heißt '''Generator'''. Wechselt dabei die Polung der Spannung ständig, spricht man vom '''Wechselstromgenerator'''. In diesem rotiert eine Spule (Leiterschleife) gleichförmig in einem homogenen Magnetfeld, so dass eine sinusförmige Wechselspannung entsteht.

*'''Transformator'''

[[Bild:Trafo.jpg|500px]]

Fließt ein Wechselstrom <math>I_{p}</math> durch die Primärspule, so ändert sich mit der Frequenz des Wechselstroms auch das Magnetfeld durch die beiden Spulen. Daher wird in der Sekundärspule die Wechselspannung <math>U_{s}</math> induziert.

Für die Spannungen am (unbelasteten) Transformator gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>\frac{U_{s}}{U_{p}}=\frac{N_{s}}{N_{p}}</math>
|}

Mit einem Transformator lassen sich durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses <math>\frac{N_{s}}{N_{p}}</math> beliebig kleinere oder größere Wechselspannungen herstellen.

Im Idealfall (<math>\eta = 1</math>) gilt für die Stromübersetzung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>\frac{I_{s}}{I_{p}}=\frac{N_{p}}{N_{s}}=\frac{U_{p}}{U_{s}}</math>
|}

'''Je größer die Stromübersetzung, desto kleiner die Spannungsübersetzung und umgekehrt!'''

Wirkungsgrad eines belasteten Transformators:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>\eta = \frac{P_{s}}{P_{p}}=\frac{U_{s}\cdot I_{s}}{U_{p}\cdot I_{p}}</math>
|}

==GWPh 9.2 Atome==

===Aufbau der Atome===

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Es gibt etwa 115 Elemente (Atomarten), aus denen die Stoffe auf unserer Welt aufgebaut sind.

Der Durchmesser von Atomen liegt in einer Größenordnung von <math>10^{-10}~m</math>. Die Masse eines Atoms liegt bei etwa <math>10^{-25}~kg</math> (je nach Element).

*'''Modellvorstellung eines Atoms'''
[[Bild:Atommodell.jpg]]

Fast die ganze Masse (ca. 99,99 %) des Atoms ist auf kleinsten Raum im Atomkern konzentriert. Der Atomkern ist im Vergleich zur Atomhülle winzig klein!

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen '''Elektronen''', der Atomkern aus positiv geladenen '''Protonen''' und ungeladenen '''Neutronen'''. Diese Kernbausteine werden auch '''Nukleonen''' genannt.

Die Anzahl der Nukleonen in einem Atomkern wird als '''Massenzahl''' <math>\ A</math> bezeichnet, da man mit ihr die Atommasse näherungsweise bestimmen kann:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|Masse Atom = <math>A \cdot 1,6605\cdot 10^{-27}~kg</math>
|}

Die Massenzahl ergibt sich aus der '''Protonenzahl''' <math>\ Z</math> und der '''Neutronenzahl''' <math>\ N</math> des Atomkerns. <math>\ Z</math> wird auch '''Kernladungszahl''' oder '''Ordnungszahl''' genannt. Es gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>A = Z + N\ </math>
|}

Symbolische Schreibweise für Atomkerne:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>^{A}_{Z}X\ </math>
|}

zum Beispiel: <math>^{23}_{11}Na,\ ^{1}_{1}H,\ ^{4}_{2}He</math>

Die Atomkernsorten nennt man auch '''Nuklide''', die in einer '''Nuklidkarte''' zusammenfassend aufgelistet werden.

Nuklide mit gleicher Protonenzahl <math>\ Z</math> aber verschiedener Massenzahl <math>\ A</math> nennt man '''Isotope''' (z.B. Uran-Isotope <math>^{235}_{92}U,\ ^{238}_{92}U,\ ... </math> )

Protonen und Neutronen sind aus '''Quarks''' (Größenordnung <math> 10^{-18}~m </math>) zusammengesetzt:

Proton: [[Bild:Quarksproton.svg|200px]] Neutron: [[Bild:Quarksneutron.svg|200px]]

u: up-Quark ( Ladung <math>Q=+\frac{2}{3}e</math> ), d: down-Quark ( Ladung <math>Q=-\frac{1}{3}e</math> ).

===Aufnahme und Abgabe von Energie in Atomen===
*'''Photonenmodell, Emissionsspektren und Energieniveaus in der Atomhülle'''

Jeder Stoff sendet ein für ihn charakteristisches '''Spektrum''' aus. Die Ursache dafür sind für diesen Stoff typische Energieniveaus der Elektronen der Atomhülle, zwischen welchen diese wechseln können und dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden oder absorbieren.

Die Energieportionen, die bei diesen Übergängen in Form von Licht absorbiert oder emittiert werden, nennt man '''Lichtquanten''' oder '''Photonen'''.

Die Energie der Photonen liegt hier im Bereich einiger '''Elektronenvolt''' (eV).

Es gilt: <math>1~eV = 1,602\cdot 10^{-19}~J</math>.

Sichtbares Licht hat eine Energie zwischen etwa 1,5 eV (rotes Licht) und 3,3 eV (violettes Licht). Liegt die Energie der Photonen darunter, handelt es sich um unsichtbares '''infrarotes Licht''', liegt sie darüber um unsichtbares '''ultraviolettes Licht'''.

*'''Röntgenstrahlung'''

Treffen schnelle Elektronen auf eine Metallanode, so entstehen '''Röntgenstrahlen''' (nach W.C.Röntgen, 1895), deren Energie viel größer ist als die des sichtbaren Lichts (Energie der Röntgenstrahlung liegt zwischen 10 keV und 1 MeV). Deswegen können sie Materie durchdringen, Stoffe ionisieren, Zellen schädigen, Fluoreszenz erzeugen oder einen Film schwärzen.

Röntgenröhre: [[Bild:Roentgenroehre.svg|400px|Röntgenröhre]]

Man unterscheidet bei Röntgenstrahlen die sogenannte '''Bremsstrahlung''' (Elektronen werden im Anodenmaterial abgelenkt und abgebremst und dabei werden Photonen emittiert) und die '''charakteristische Strahlung''' (Inneres Hüllenelektron wird herausgeschlagen und beim Zurückfallen der Elektronen äußerer Schalen werden Photonen emittiert).

===Radioaktive Strahlung===

'''Radionuklide''' (radioaktive Nuklide) wandeln sich '''spontan''' (d.h. ohne äußere Anregung) unter Aussendung von '''<math>\alpha</math>-, <math>\beta</math>- oder <math>\gamma</math>-Strahlung''' in andere Nuklide um. Diese radioaktive Strahlung besitzt eine sehr hohe Energie (einige MeV) und ist somit auch sehr gefährlich.

*'''Radioaktive Strahlungsarten'''

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="3"
|  
| '''<math>\alpha</math>-Strahlung'''
| '''<math>\beta</math>-Strahlung'''
| '''<math>\gamma</math>-Strahlung'''
|-
| '''Strahlung'''
| Zweifach positiv geladene Heliumkerne (<math>\alpha</math>-Teilchen)
| Elektronen (<math>\beta^{-}</math>-Strahlung) oder Positronen (<math>\beta^{+}</math>-Strahlung)
| Energiereiche elektromagnetische Strahlung
|-
| '''Reaktion'''
| <math>^{226}_{88}Ra \rightarrow ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He</math>
| <math>^{137}_{55}Cs \rightarrow ^{137}_{56}Ba + ^{\ 0}_{-1}e</math> (<math>\beta^{-}</math>) <math>^{30}_{15}P \rightarrow ^{30}_{14}Si + ^{\ 0}_{+1}e</math> (<math>\beta^{+}</math>)
| <math>^{137}_{56}Ba^{*} \rightarrow ^{137}_{56}Ba + \gamma</math>
|-
| '''Geschwindig- keit'''
| bis 10 % der Lichtgeschwindigkeit
| bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit
| Lichtgeschwindigkeit 300000 km/s
|-
| '''Reichweite in Luft'''
| einige Zentimeter
| einige Meter
| viele Meter
|-
| '''Abschirmung'''
| Blatt Papier
| Aluminiumplatte
| dicke Bleiplatte
|-
| '''Vorgang im Kern'''
| Kern stößt <math>\alpha</math>-Teilchen aus
| Neutron --> Elektron und Proton (<math>\beta^{-}</math>) Proton --> Positron und Neutron (<math>\beta^{+}</math>)
| Änderung des Energiezustandes
|}

*'''Nachweis radioaktiver Strahlung'''

Der '''Nachweis von radioaktiver Strahlung''' erfolgt durch '''Geiger-Müller-Zählrohre''' oder '''Nebelkammern''' (beides beruht auf ionisierender Wirkung) oder durch '''fotographische Schichten''' (Filme werden geschwärzt).

*'''Halbwertszeit'''

Die Zeitspanne, in welcher sich die Hälfte der anfangs vorhandenen radioaktiven Atomkerne eines bestimmten Nuklids umwandeln, wird '''Halbwertszeit''' <math>t_{H}</math> genannt.

*'''Zerfallsgesetz'''

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>N(t)=N_{0}\cdot (\frac{1}{2})^{\frac{t}{t_{H}}}</math>
|}

*'''Biologische Strahlenwirkung'''

Je größer die Energieaufnahme pro Körpermasse, desto größer ist auch die biologische Wirkung der auf den Körper treffenden Strahlung.

'''Energiedosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>D = \frac{E}{m} </math>
|}

wobei <math>E</math> die absorbierte Energie und <math>m</math> die Masse des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Energiedosis <math>D</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Gy </math> ("Gray")

'''Äquivalentdosis''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>H = q \cdot D </math>
|}

wobei <math>q</math> der Bewertungsfaktor der jeweiligen Strahlung und <math>D</math> die Energiedosis des bestrahlten Körpers ist.

Die Einheit der Äquivalentdosis <math>H</math> ist: <math> 1~\frac{J}{kg} = 1~Sv </math> ("Sievert")

Die Äquivalentdosis wird zur Angabe der Strahlenbelastung verwendet.

*'''Strahlenschutz'''

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|'''Abstand, Abschirmung, kurzzeitig und nicht in den Körper aufnehmen!'''
|}

===Kernumwandlungen===

*'''Kernspaltung'''

Schwere Atomkerne (Massenzahl >> 56) werden mit langsamen Neutronen beschossen. Dabei können sich diese Atomkerne in zwei Trümmerkerne und freiwerdende Neutronen '''spalten'''. Zusätzlich wird bei diesem Vorgang '''Energie frei''', die z.B. in Kernkraftwerken genutzt wird.

'''Mögliche Zerfallsgleichungen''':

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{36}^{89} Kr + _{56}^{144} Ba + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{0}^{1} n + _{\ 92}^{235} U \rightarrow \ _{55}^{137} Cs + _{37}^{96} Rb + 3 \cdot _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

Treffen diese freiwerdenden Neutronen (nach Abbremsung) wieder auf spaltbare Atomkerne, so kann es letztlich zu einer '''Kettenreaktion''' von Kernspaltungsprozessen kommen, bei der ungeheuere Mengen an Energie in kürzester Zeit frei werden.

*'''Kernfusion'''

Auch durch verschmelzung besonders leichter Atomkerne zu schweren Kernen wird sehr viel Energie frei. Dieser Vorgang wird '''Kernfusion''' genannt und läuft nur bei extrem hohen Temperaturen (> 20 Mill. °C) und extremen Druck (> 10^15 Pa) ab.

'''Mögliche Fusionsreaktionen''':

<math>4 \cdot _{1}^{1} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + 2 \cdot _{+1}^{\ 0} e + \mathrm{Energie}</math>

<math> _{1}^{2} H + _{1}^{3} H \rightarrow \ _{2}^{4} He + _{0}^{1} n + \mathrm{Energie}</math>

*'''Kräfte und Energien bei Kernumwandlungen'''

Die Nukleonen im Atomkern werden durch sehr starke '''Kernkräfte''' mit geringer Reichweite zusammengehalten. Diese Kernkräfte sind also deutlich stärker als die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen Nukleonen.

Die Masse eines Atomkerns ist immer kleiner als die Masse seiner Bestandteile (Summe der Nukleonenmassen). Diese Differenz wird '''Massendefekt''' genannt, dem nach A. Einsteins spezieller Relativitätstheorie eine Energie <math>\Delta E = \Delta m \cdot c^{2}</math> entspricht. Diese Energie ist die '''Kernbindungsenergie''', welche benötigt würde, um den Atomkern wieder in seine Bestandteile zu zerlegen.

==GWPh 9.3 Kinematik und Dynamik geradliniger Bewegungen==

('''Kinematik''' = Bewegungslehre gleichförmiger Bewegungen; '''Dynamik''' = Bewegungslehre beschleunigter Bewegungen)

===Bewegungsabläufe in Diagrammen===
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="3"
| '''Gleichförmige Bewegung'''
| '''Beschleunigte Bewegung'''
|-
| (z.B. Paket auf Förderband)
| (z.B. anfahrendes Auto)
|-
| '''Geschwindigkeit''': <math>v=\frac{\Delta s}{\Delta t}</math>
| Momentangeschwindigkeit, die sich laufend ändert
|-
| keine Beschleunigung: <math>a = 0</math>
| '''Beschleunigung''': <math>a=\frac{\Delta v}{\Delta t}</math>
|-
| '''Zeit-Ort-Diagramm''':

[[Bild:Tsdiagrammglfbew.jpg|300px]]

Geraden mit der Geschwindigkeit als Steigung
| '''Zeit-Ort-Diagramm''':

[[Bild:Tsdiagrammbeslbew.jpg|300px]]

Teile von Parabeln mit der Geschwindigkeit als Steigung
|-
| '''Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm''':

[[Bild:Tvdiagrammglfbew.jpg|300px]]

Geraden parallel zur Zeitachse
| '''Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm''':

[[Bild:Tvdiagrammbeslbew.jpg|300px]]

Geraden mit der Beschleunigung als Steigung
|}

===Darstellung von Bewegungsabläufen mithilfe von Gleichungen===

[[Bild:Icedbanimation.gif|300px|right|Photograph by Greg O'Beirne]]
*Für eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung eines Körpers ''aus der Ruhe'' gelten folgende '''Bewegungsfunktionen''':

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>s(t)=\frac{1}{2}\ a\cdot t^2</math>
|<math>v(t)=a\cdot t</math>
|<math>a(t)=a \ </math>
|}

Dabei ist '''s(t) die zurückgelegte Strecke''' zum Zeitpunkt t, '''v(t) die Geschwindigkeit''' zum Zeitpunkt t und '''a(t) die Beschleunigung''' zum Zeitpunkt t.

Eliminiert man aus den ersten beiden Gleichungen die Zeit t, so erhält man eine weitere sehr gebräuchliche Beziehung zwischen Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>2\cdot a\cdot s= v^2</math>
|}

 
[[Bild:Motorradaufvorderrad.jpg|300px|right]]
*'''Grundgesetz der Mechanik (Newton)''':

Wirkt auf einen Körper der Masse <math>m</math> die Kraft <math>F</math>, so wird er mit der Beschleunigung <math>a = \frac{F}{m}</math> bewegt.

Die Kraft <math>F</math> wird also so festgelegt, dass gilt:

{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
|<math>F = m\cdot a</math>
|}

Für die Einheiten gilt also: <math>1~N = 1~kg\cdot \frac{m}{s^{2}};</math>

oder anders: <math>1~\frac{m}{s^{2}} = 1~\frac{N}{kg};</math>

==Web-Links==
[http://www.leifiphysik.de/bayern/9-klasse LeiFi-Physik Klasse 9]

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GWPh9 - Versionsgeschichte

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