Ph12Schulheft: Unterschied zwischen den Versionen

Aus FLG Wiki
Zur Navigation springenZur Suche springen
Zeile 1: Zeile 1:
 
[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
 
[[Bild:Physiklogo.jpg|link=Physik|right]]
 
==0. Wiederholung==
 
==0. Wiederholung==
 +
 +
 +
==1. Statisches elektrisches Feld==
 +
 +
===1.1 Grundlagen der Elektrizitätslehre===
 +
 +
 +
'''Elektrische Ladung Q''' (Einheit "Coulomb", <math> 1~C = 1~As \ </math>)
 +
 +
[http://wiki.bnv-bamberg.de/flg-wiki/index.php/SchulheftPh9#2._Atome Einfaches Atommodell SchulheftPh9]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/einfache-stromkreise/grundwissen/atomare-vorstellungen-der-elektrizitaet Atomare Vorstellungen der Elektrizität bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_de.html Statische Elektrizität bei PhET]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/grundwissen/ladungseigenschaften#aufgaben Leifi-Quiz Ladungseigenschaften]
 +
 +
Ein Körper ist elektrisch '''negativ geladen''', wenn auf ihm Elektronenüberschuss herrscht. Er ist '''positiv geladen''', wenn auf ihm Elektronenmangel herrscht.
 +
 +
Die '''Elementarladung''' <math>e</math> ist eine Naturkonstante - die kleinste frei vorkommende Ladung:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>e = 1,602\cdot 10^{-19}~As</math>
 +
|}
 +
 +
'''Influenz''' ist die Trennung von Ladungen eines Körpers unter dem Einfluss der von äußeren Ladungen ausgeübten elektrischen Kraft.
 +
 +
 +
'''Elektrische Stromstärke I''' (Einheit "Ampere", <math> 1~A = 1~\frac{C}{s} \ </math>)
 +
 +
Elektrischer Strom ist fließende Ladung.
 +
 +
Die '''elektrische Stromstärke''' <math>I</math> gibt an, wie viel Ladung <math> \Delta Q \ </math> in der Zeit <math> \Delta t \ </math> durch einen Leiterquerschnitt fließt:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/battery-resistor-circuit Batterie-Widerstandsstromkreis bei PhET]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/elektrische-grundgrossen Elektrische Grundgrößen bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Elektrische Spannung U''' (Einheit "Volt", <math> 1~V = 1~\frac{J}{As} \ </math>)
 +
 +
Die '''elektrische Spannung''' ist die Ursache für den Stromfluss in einem Stromkreis.
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>U = \frac{\Delta W}{Q}</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektrische-grundgroessen/elektrische-spannung Elektrische Spannung bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Elektrischer Widerstand R''' (Einheit "Ohm", <math> 1~\Omega = 1~\frac{V}{A} \ </math>)
 +
 +
Umso mehr Strom der Stromstärke <math>I</math> bei einer bestimmten Spannung <math>U</math> fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand.
 +
 +
Der '''elektrische Widerstand''' <math>R</math> gibt an, wie stark der Stromfluss in einem Stromkreis behindert wird:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>R = \frac{U}{I}</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/widerstand-spez-widerstand Elektrischer Widerstand bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Elektrische Arbeit/Energie W''' (Einheit "Joule", <math> 1~J = 1~Ws \ </math>)
 +
 +
'''Elektrische Energie''' ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>W = U\cdot I\cdot t = U\cdot Q</math>
 +
|}
 +
 +
 +
'''Elektrische Leistung P''' (Einheit "Watt", <math> 1~W = 1~VA = 1~\frac{J}{s} \ </math>)
 +
 +
Die '''elektrische Leistung''' <math>P</math> gibt an, wie viel Energie <math> W </math> pro Zeiteinheit <math> t </math> in andere Energiearten umgewandelt wird:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>P = \frac{W}{t} = U\cdot I</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/elektrische-arbeit-und-leistung Elektrische Arbeit und Leistung bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
===1.2 Das elektrische Feld===
 +
 +
Die '''elektrische Feldstärke''' <math>\vec{E}</math> (Einheit <math> 1~\frac{N}{C} = 1~\frac{V}{m} \ </math>) ist
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\vec{E} = \frac{\vec{F}}{Q}</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/ladungen-felder-mittelstufe Ladungen und Felder bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/de/simulation/legacy/electric-hockey Elektrisches Feldhockey bei PhET]
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=DHi-QElh9EM Elektrisches Feld 1 - Telekolleg bei Youtube]
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=7DT_STOKBfU Elektrisches Feld 2 - Telekolleg bei Youtube]
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=P4nH9Z_3dmU Spannung, Faradayscher Käfig - Telekolleg bei Youtube]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/ausblick/fotokopierer-und-laserdrucker Fotokopierer und Laserdrucker bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Homogenes elektrisches Feld eines Plattenkondensators'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>E = \frac{U}{d}</math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=2HhaQtvICe8 Millikan-Versuch Video Charge of an Electron: Millikan's Oil Drop Experiment von Tyler DeWitt]
 +
 +
 +
'''Potential und Äquipotentiallinien'''
 +
 +
Das '''elektrische Potential''' <math>\varphi \ </math> (Einheit <math> 1~V \ </math>) eines Punktes im elektrischen Feld ist
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\varphi = \frac{E_{pot}}{q} = E \cdot s</math>
 +
|}
 +
 +
 +
Die '''elektrische Spannung''' <math>U \ </math> zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld entspricht der Potentialdifferenz dieser Punkte:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>U = \Delta \varphi = \varphi_2 - \varphi_1 </math>
 +
|}
 +
 +
 +
Linien gleichen Potentials nennt man '''Äquipotentiallinien'''. Sie stehen senkrecht zu den Feldlinien.
 +
 +
 +
[http://www.didaktikonline.physik.uni-muenchen.de/programme/e_feld/E_Feld.html Simulation elektrisches Feld und Potential von Prof. Dr. Raimund Girwidz LMU München]
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_de.html Ladungen und Felder bei PhET]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-elektrisches-feld/aufgaben Aufgaben zum elektrischen Feld bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/9655/ph_musterabitur_em_felder_relativitaet.pdf Musterabitur 2011 Physik Bayern Ph 11-2] [https://www.isb.bayern.de/download/9658/ph_musterabitur_loesungen_em_felder_relativitaet.pdf Lösungen dazu]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur 2011 Physik Bayern Ph 11-1]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/16168/physik_2015_aufgaben.pdf Abitur 2015 Physik Bayern Ph 11-1]
 +
 +
 +
'''Kapazität eines Kondensators'''
 +
 +
Die '''Kapazität''' <math>C \ </math> (Einheit "Farad", <math> 1~F = 1~\frac{As}{V} \ </math>) eines Kondensators ist definiert als
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>C = \frac{Q}{U} </math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_de.html Kapazität Labor bei PhET]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/versuche/kapazitaet-des-plattenkondensators Kapazität des Plattenkondensators bei LeiFi-Physik]
 +
 +
Beim Plattenkondensator gilt:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>C = \epsilon_r \cdot \epsilon_0 \cdot \frac{A}{d} </math>
 +
|}
 +
 +
mit der '''elektrischen Feldkonstante'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\epsilon_0 = 8,8542\cdot 10^{-12}~\frac{As}{Vm} </math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kondensator-kapazitaet/ausblick/bauformen-von-kondensatoren Bauformen von Kondensatoren bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/aufgabe/auseinanderziehen-eines-plattenkondensators Auseinanderziehen eines Plattenkondensators bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/20390/2011.pdf Abitur 2011 Physik Bayern Ph 11-2]
 +
 +
 +
'''Schaltung von Kondensatoren'''
 +
 +
Parallelschaltung:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
|<math> C  = C_1 + C_2 + ... + C_n \ </math>
 +
|}
 +
 +
Reihenschaltung:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
|<math> \frac{1}{C}  = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}</math>
 +
|}
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/aufgabe/quiz-zum-kondensator Quiz zum Kondensator bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Energie im elektrischen Feld'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>E_{el} = \frac{1}{2}\cdot Q \cdot U = \frac{1}{2}\cdot C \cdot U^2 </math>
 +
|}
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/kondensator-als-energiespeicher Kondensator als Energiespeicher bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Coulombsches Gesetz'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
|<math> F = \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot \frac{|Q_1\cdot Q_2|}{r^2}</math>
 +
|}
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/coulomb-gesetz Gesetz von COULOMB bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/22038/ph_2019_aalspdf.pdf Abitur 2019 Physik Bayern Ph 11-1]
 +
 +
 +
'''Elektrisches Feld und Potential von Punktladungen'''
 +
 +
[[Datei:Elradialfeld.jpg|600px]]
 +
 +
Das elektrische Feld einer Punktladung ist ein '''Radialfeld''', es ist '''nicht homogen'''.
 +
 +
'''Elektrische Feldstärke eines Radialfeldes''' um die zentrale Punktladung <math>Q \ </math>:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>E = \frac{1}{4\pi \epsilon_0}\cdot \frac{Q}{r^2} </math>
 +
|}
 +
 +
'''Potentialle Energie im Radialfeld'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>E_{pot} = Q_2\cdot E\cdot r = \frac{1}{4\pi \epsilon_0}\cdot \frac{Q\cdot Q_2}{r} </math>
 +
|}
 +
 +
'''Elektrisches Potential im Radialfeld'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\varphi = \frac{E_{pot}}{Q_2} = \frac{1}{4\pi \epsilon_0}\cdot \frac{Q}{r} </math>
 +
|}
 +
 +
 +
[http://www.didaktikonline.physik.uni-muenchen.de/programme/e_feld/E_Feld.html Simulation elektrisches Feld und Potential von Prof. Dr. Raimund Girwidz LMU München]
 +
 +
[https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_de.html Ladungen und Felder bei PhET]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/ueberlagerung-elektrischer-felder Überlagerung elektrischer Felder bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.isb.bayern.de/download/12838/abiturpruefung_physik_2013.pdf Abitur 2013 Physik Bayern Ph 11-1]
 +
 +
 +
==2. Statisches magnetisches Feld==
 +
 +
[[SchulheftPh9]]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/permanentmagnetismus Permanentmagnetismus bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/permanentmagnetismus/versuche/felder-von-dauermagneten-lehrerversuch Felder Dauermagneten bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/ausblick/erdmagnetfeld Erdmagnetfeld bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.ardmediathek.de/video/alpha-centauri/was-passiert-wenn-das-erdmagnetfeld-verschwindet/ard-alpha/Y3JpZDovL2JyLmRlL3ZpZGVvLzY0NTAzMTA4LTkwNjEtNGFlNC05Yzk2LWIzYjY1NGRmNDI3Yw/ Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet? Video alpha-centauri bei ardmediathek.de]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule Magnetisches Feld - Spule bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
'''Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld'''
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[http://www.walter-fendt.de/html5/phde/electricmotor_de.htm Elektromotor-Applet von Walter Fendt]
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=dMaSh5DLK14 Sendung mit der Maus - Wie funktioniert ein Elektromotor? bei YouTube.com]
 +
 +
[https://de.m.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffwirtschaft#Effizienz_der_Energiekette Effizienz der Energiekette Wasserstoff vs. Elektro bei Wikipedia.de]
 +
 +
 +
'''Die magnetische Flussdichte B''' (Einheit "Tesla", <math> 1~T = 1~\frac{N}{Am} = 1~\frac{Vs}{m^2} \ </math>)
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>B = \frac{F}{I\cdot l} </math>
 +
|}
 +
 +
Der Vektor der '''magnetischen Flussdichte''' <math>\vec{B} \ </math> kennzeichnet die Stärke des Magnetfelds und zeigt in Richtung der magnetischen Feldlinien.
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/versuche/kraftmessung-mit-der-stromwaage Stromwaage bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=2Uxw7zRcCBU Nikola Tesla - Das vergessene Genie (Valeks Studios bei YouTube)]
 +
 +
[https://www.tesla-info.de/index.htm Nikola Tesla - vergessenes Genie auf tesla-info.de]
 +
 +
 +
'''Magnetische Flussdichte im Innern einer lang gestreckten Spule'''
 +
 +
[[Datei:VFPt cylindrical coil real.png]]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/magnetfeld-einer-zylinderspule Magnetfeld einer Zylinderspule bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/stroeme-magnetisches-feld/versuche/magnetisches-feld-von-langen-zylinderspulen Magnetisches Feld von langen Zylinderspulen bei LeiFi-Physik]
 +
 +
Im Inneren einer lang gestreckten Spule ist die magnetische Flussdichte nahezu konstant, die Feldlinien verlaufen parallel zur Spulenachse, das Magnetfeld ist nahezu homogen und es gilt:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>B = \mu_r \cdot \mu_0 \cdot I \cdot \frac{N}{l} </math>
 +
|}
 +
 +
mit der '''magnetischen Feldkonstante'''
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7}~\frac{Vs}{Am} </math>
 +
|}
 +
 +
 +
'''Magnetfeld um einen geraden, stromdurchflossenen Leiter'''
 +
 +
[[Datei:VFPt wire out with-some-compass-needles.png]]
 +
 +
[http://www.walter-fendt.de/html5/phde/magneticfieldwire_de.htm Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Leiters von W. Fendt]
 +
 +
Die magnetischen Feldlinien bilden konzentrische Kreise, die magnetische Flussdichte nimmt mit zunehmender Entfernung <math> r \ </math> vom Leiter proportional zu <math> \frac{1}{r} \ </math> ab und es gilt:
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>B = \mu_0 \cdot \frac{I}{2\pi \cdot r} </math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/ampere-definition Ampere Definition bei LeiFi-Physik]
 +
 +
 +
==3. Bewegung geladener Teilchen in Feldern==
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/gluehelektrischer-effekt Glühelektrischer Effekt bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern Bewegte Ladungen in Feldern bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/index.php Bewegung von Elektronen im E- und B-Feld LMU München]
 +
 +
 +
===3.1 In homogenen elektrischen Feldern===
 +
 +
'''Bewegung geladener Teilchen im homogenen Längsfeld'''
 +
 +
[https://virtuelle-experimente.de/kanone/klassisch/aufbau.php Elektronenkanone (Längsfeld) LMU München]
 +
 +
'''Beschleunigung''' eines geladenen Teilchens der Ladung <math>q \ </math> und der Masse <math>m \ </math> beim Durchlaufen der Spannung <math>U_B \ </math> auf dem Weg <math>d \ </math> im elektrischen Längsfeld:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>a = \frac{q\cdot U_B}{m \cdot d} </math>
 +
|}
 +
 +
'''Endgeschwindigkeit''' dabei:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>v = \sqrt{2\cdot \frac{q}{m}\cdot U_B} </math>
 +
|}
 +
 +
Für die '''kinetische Energie''' des geladenen Teilchens gilt also:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>E_{kin} = \frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2 = q\cdot U_B </math>
 +
|}
 +
 +
Dies führt zur Definition der Einheit '''Elektronenvolt''' (eV) als Energieeinheit in der Atom- und Kernphysik:
 +
 +
<math>1 eV \ </math> ist die Energie, die ein Ladungsträger mit <math>q = e \ </math> (Elementarladung) erhält, wenn er aus der Ruhe die Spannung <math>1 V \ </math> durchläuft.
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>1 eV = 1,602\cdot 10^{-19} J = 4,45\cdot 10^{-26} kWh </math>
 +
|}
 +
 +
 +
'''Geladene Teilchen im homogenen Querfeld'''
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/ausblick/oszilloskop Oszilloskop bei LeiFi-Physik]
 +
 +
'''Beschleunigung''' eines geladenen Teilchens der Ladung <math>q \ </math> und der Masse <math>m \ </math> beim Durchlaufen eines homogenen elektrischen Querfelds (Ablenkkondensator) mit der Spannung <math>U' \ </math> und dem Plattenabstand <math>d' \ </math>:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>a_y = \frac{q\cdot U'}{m \cdot d'} </math>
 +
|}
 +
 +
Gleichung für die parabelförmige '''Flugbahn''' innerhalb des Ablenkkondensators:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>y(x) = \frac{1}{4}\cdot \frac{U'}{U_B}\cdot \frac{x^2}{d'} </math>
 +
|}
 +
 +
[http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/e-feld/hypothesen/Versuchsaufbau.php Elektronenablenkröhre (Querfeld) LMU München]
 +
 +
 +
===3.2 In homogenen magnetischen Feldern===
 +
[[Bild:Rechtehandregel.jpg|thumb|right|Drei-Finger-Regel der rechten Hand]]
 +
 +
Bewegen sich geladene Teilchen in einem Magnetfeld, so wirkt auf sie die '''Lorentzkraft'''.
 +
 +
Ist dabei die Magnetfeldrichtung senkrecht zum Stromfluss, so ergibt sich die Richtung der Lorentzkraft nach der "'''Drei-Finger-Regel der rechten Hand'''":
 +
 +
{| 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 ('''W'''irkung)
 +
|}
 +
 +
Dann ist der '''Betrag der Lorentzkraft''' auf ein geladenen Teilchens der Ladung <math>q \ </math> mit der Geschwindigkeit <math>v \ </math> senkrecht zu einem Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte <math>B \ </math>:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>F_L = q\cdot v\cdot B \ </math>
 +
|}
 +
 +
 +
'''Kreisbahn von Elektronen im Fadenstrahlrohr'''
 +
 +
In einer speziellen Röhre werden Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt und in ein von Helmholtz-Spulen erzeugtes homogenes Magnetfeld gebracht und dort auf eine Kreisbahn mit Radius <math>r \ </math> abgelenkt.
 +
 +
Die Lorentzkraft <math>F_L \ </math> wirkt dabei als Zentripetalkraft <math>F_r \ </math>:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>F_L = F_r \Longleftrightarrow q\cdot v\cdot B = m\cdot \frac{v^2}{r} \ </math>
 +
|}
 +
 +
[http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/b-feld/B-Feld/Helmholtzspulenpaar.php Elektronen im B-Feld (Kathodenstrahlröhre) LMU München]
 +
 +
 +
'''Spezifische Ladung / Masse von Elektronen'''
 +
 +
Der Quotient <math>\frac{e}{m_e} \ </math> wird als '''spezifische Ladung''' der Elektronen bezeichnet.
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\frac{e}{m_e} = \frac{2\cdot U_B}{B^2\cdot r^2} \ </math>
 +
|}
 +
 +
Einheitenbetrachtung dazu: <math>\frac{V}{T^2\cdot m^2} = \frac{V\cdot m^4}{V^2\cdot s^2\cdot m^2} = \frac{m^2}{V\cdot s^2} = \frac{kg\cdot m^2}{kg\cdot V\cdot s^2} = \frac{N\cdot m}{kg\cdot V} = \frac{VAs}{V\cdot kg} = \frac{As}{kg} \ </math>
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>\frac{e}{m_e} = 1,759\cdot 10^{11}~\frac{As}{kg} \ </math>
 +
|}
 +
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="5"
 +
|<math>m_e = 9,109\cdot 10^{-31}~kg \ </math>
 +
|}
 +
 +
[http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/b-feld/e-m-bestimmung/historie.php e/m-Bestimmung LMU München]
 +
 +
 +
'''Hall-Effekt'''
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/versuche/hall-effekt Hall-Effekt bei LeiFi-Physik]
 +
 +
'''Massenspektrograf / Geschwindigkeitsfilter'''
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/wiensches-geschwindigkeitsfilter WIENsches Geschwindigkeitsfilter bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/versuche/bainbridge-massenspektrometer Massenspektrograf bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/ausblick/zyklotron Zyklotron bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/themenbereiche/bewegung-ladungen-feldern/lb/musteraufgaben-oberstufe-teilchenbeschleuniger?v=1 Abituraufgabe Zyklotron 2011 bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/ausblick/synchrotron Synchrotron bei LeiFi-Physik]
 +
 +
[https://videos.cern.ch/record/986168 CERN in 3 Minuten]
 +
 +
[http://project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/index.htm CERN Education Unterrichtsmaterialien Teilchenphysik]
 +
 +
'''Versuche von Kaufmann und Bucherer'''
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/relativitaetstheorie/spezielle-relativitaetstheorie/versuche/versuch-von-bucherer Versuch von Bucherer bei LeiFi-Physik]
 +
 +
==4. Spezielle Relativitätstheorie==
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=IXFf2mRxnkY Das Geheimnis der Zeit - Einsteins Relativitätstheorie] bei YouTube.com
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=8wb6LZtNs04 Das Relativitätsprinzip] bei Youtube.com
 +
 +
[https://www.youtube.com/watch?v=mt0vKjpAHfg Relativität in der SRT] bei YouTube.com
 +
 +
 +
'''Postulate'''
 +
 +
'''P1 Relativitätsprinzip'''
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
| Die Naturgesetze gelten in allen gleichförmig zueinander bewegten Bezugssystemen in gleicher Weise.
 +
|}
 +
 +
'''P2 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit'''
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
| Die Vakuumlichtgeschwindigkeit <math>c = 2,99792\cdot 10^8~\frac{m}{s} \ </math> ist unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle und vom Bezugssystem, in dem sie gemessen wird, immer gleich groß.
 +
|}
 +
 +
 +
'''Folgerungen'''
 +
 +
'''F1 Zeitdehnung'''
 +
 +
Bewegte Uhren gehen für einen äußeren Beobachter langsamer: <math>t = \frac{t'}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \ </math>
 +
 +
'''F2 Längenkontraktion'''
 +
 +
Körper erscheinen für einen äußeren Beobachter in Bewegungsrichtung verkürzt: <math>l = l' \cdot \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}} \ </math>
 +
 +
'''F3 Relativität der Gleichzeitigkeit'''
 +
 +
Der Begriff "gleichzeitig" ist nicht absolut, sondern relativ, also abhängig vom Bezugssystem des Beobachters.
 +
 +
'''F4 Raumzeit'''
 +
 +
Raum und Zeit stehen in direktem Zusammenhang und sind vom Bewegungszustand des Bezugssystems abhängig (vierdimensionale Raumzeit).
 +
 +
Um Raum zu überwinden, braucht man Zeit, aber die Lichtgeschwindigkeit ist das absolute Tempolimit! Raum lässt sich also nicht sofort überwinden, jeder Blick ist ein Blick in die Vergangenheit.
 +
 +
'''F5 Massenzunahme'''
 +
 +
Die Masse eines Körpers nimmt mit seiner Geschwindigkeit für einen äußeren Beobachter zu: <math>m = \frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \ </math>
 +
 +
'''F6 Relativistische Energie / Äquivalenz von Masse und Energie'''
 +
 +
Die Gesamtenergie eines Körpers und seine dynamische Masse sind zueinander direkt proportional, Masse und Energie sind äquivalent:
 +
{| border="1" cellspacing="0" cellpadding="10"
 +
| <math>E = m \cdot c^2 \ </math>
 +
|}
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/relativitaetstheorie Relativitätstheorie] bei LeiFi-Physik
 +
 +
==5. Elektromagnetische Induktion==
 +
 +
==6. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen==
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-schwingungen/versuche/elektromagnetischer-schwingkreis-simulation Elektromagnetischer Schwingkreis Simulation] bei LeiFi-Physik
 +
 +
 +
[https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-wellen/versuche/dipolstrahlung-animation Dipolstrahlung Animation] bei LeiFi-Physik

Version vom 16. September 2024, 17:46 Uhr

Physiklogo.jpg

0. Wiederholung

1. Statisches elektrisches Feld

1.1 Grundlagen der Elektrizitätslehre

Elektrische Ladung Q (Einheit "Coulomb", )

Einfaches Atommodell SchulheftPh9

Atomare Vorstellungen der Elektrizität bei LeiFi-Physik

Statische Elektrizität bei PhET

Leifi-Quiz Ladungseigenschaften

Ein Körper ist elektrisch negativ geladen, wenn auf ihm Elektronenüberschuss herrscht. Er ist positiv geladen, wenn auf ihm Elektronenmangel herrscht.

Die Elementarladung ist eine Naturkonstante - die kleinste frei vorkommende Ladung:

Influenz ist die Trennung von Ladungen eines Körpers unter dem Einfluss der von äußeren Ladungen ausgeübten elektrischen Kraft.


Elektrische Stromstärke I (Einheit "Ampere", )

Elektrischer Strom ist fließende Ladung.

Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung in der Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt:


Batterie-Widerstandsstromkreis bei PhET

Elektrische Grundgrößen bei LeiFi-Physik


Elektrische Spannung U (Einheit "Volt", )

Die elektrische Spannung ist die Ursache für den Stromfluss in einem Stromkreis.


Elektrische Spannung bei LeiFi-Physik


Elektrischer Widerstand R (Einheit "Ohm", )

Umso mehr Strom der Stromstärke bei einer bestimmten Spannung fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand.

Der elektrische Widerstand gibt an, wie stark der Stromfluss in einem Stromkreis behindert wird:


Elektrischer Widerstand bei LeiFi-Physik


Elektrische Arbeit/Energie W (Einheit "Joule", )

Elektrische Energie ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.


Elektrische Leistung P (Einheit "Watt", )

Die elektrische Leistung gibt an, wie viel Energie pro Zeiteinheit in andere Energiearten umgewandelt wird:


Elektrische Arbeit und Leistung bei LeiFi-Physik


1.2 Das elektrische Feld

Die elektrische Feldstärke (Einheit ) ist


Ladungen und Felder bei LeiFi-Physik

Elektrisches Feldhockey bei PhET

Elektrisches Feld 1 - Telekolleg bei Youtube

Elektrisches Feld 2 - Telekolleg bei Youtube

Spannung, Faradayscher Käfig - Telekolleg bei Youtube

Fotokopierer und Laserdrucker bei LeiFi-Physik


Homogenes elektrisches Feld eines Plattenkondensators


Millikan-Versuch Video Charge of an Electron: Millikan's Oil Drop Experiment von Tyler DeWitt


Potential und Äquipotentiallinien

Das elektrische Potential (Einheit ) eines Punktes im elektrischen Feld ist


Die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld entspricht der Potentialdifferenz dieser Punkte:


Linien gleichen Potentials nennt man Äquipotentiallinien. Sie stehen senkrecht zu den Feldlinien.


Simulation elektrisches Feld und Potential von Prof. Dr. Raimund Girwidz LMU München

Ladungen und Felder bei PhET

Aufgaben zum elektrischen Feld bei LeiFi-Physik

Musterabitur 2011 Physik Bayern Ph 11-2 Lösungen dazu

Abitur 2011 Physik Bayern Ph 11-1

Abitur 2015 Physik Bayern Ph 11-1


Kapazität eines Kondensators

Die Kapazität (Einheit "Farad", ) eines Kondensators ist definiert als


Kapazität Labor bei PhET

Kapazität des Plattenkondensators bei LeiFi-Physik

Beim Plattenkondensator gilt:

mit der elektrischen Feldkonstante


Bauformen von Kondensatoren bei LeiFi-Physik

Auseinanderziehen eines Plattenkondensators bei LeiFi-Physik

Abitur 2011 Physik Bayern Ph 11-2


Schaltung von Kondensatoren

Parallelschaltung:

Reihenschaltung:

Quiz zum Kondensator bei LeiFi-Physik


Energie im elektrischen Feld

Kondensator als Energiespeicher bei LeiFi-Physik


Coulombsches Gesetz

Gesetz von COULOMB bei LeiFi-Physik

Abitur 2019 Physik Bayern Ph 11-1


Elektrisches Feld und Potential von Punktladungen

Elradialfeld.jpg

Das elektrische Feld einer Punktladung ist ein Radialfeld, es ist nicht homogen.

Elektrische Feldstärke eines Radialfeldes um die zentrale Punktladung :

Potentialle Energie im Radialfeld

Elektrisches Potential im Radialfeld


Simulation elektrisches Feld und Potential von Prof. Dr. Raimund Girwidz LMU München

Ladungen und Felder bei PhET

Überlagerung elektrischer Felder bei LeiFi-Physik

Abitur 2013 Physik Bayern Ph 11-1


2. Statisches magnetisches Feld

SchulheftPh9

Permanentmagnetismus bei LeiFi-Physik

Felder Dauermagneten bei LeiFi-Physik

Erdmagnetfeld bei LeiFi-Physik

Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet? Video alpha-centauri bei ardmediathek.de

Magnetisches Feld - Spule bei LeiFi-Physik


Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld

Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld bei LeiFi-Physik

Elektromotor-Applet von Walter Fendt

Sendung mit der Maus - Wie funktioniert ein Elektromotor? bei YouTube.com

Effizienz der Energiekette Wasserstoff vs. Elektro bei Wikipedia.de


Die magnetische Flussdichte B (Einheit "Tesla", )

Der Vektor der magnetischen Flussdichte kennzeichnet die Stärke des Magnetfelds und zeigt in Richtung der magnetischen Feldlinien.

Stromwaage bei LeiFi-Physik

Nikola Tesla - Das vergessene Genie (Valeks Studios bei YouTube)

Nikola Tesla - vergessenes Genie auf tesla-info.de


Magnetische Flussdichte im Innern einer lang gestreckten Spule

VFPt cylindrical coil real.png

Magnetfeld einer Zylinderspule bei LeiFi-Physik

Magnetisches Feld von langen Zylinderspulen bei LeiFi-Physik

Im Inneren einer lang gestreckten Spule ist die magnetische Flussdichte nahezu konstant, die Feldlinien verlaufen parallel zur Spulenachse, das Magnetfeld ist nahezu homogen und es gilt:

mit der magnetischen Feldkonstante


Magnetfeld um einen geraden, stromdurchflossenen Leiter

VFPt wire out with-some-compass-needles.png

Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Leiters von W. Fendt

Die magnetischen Feldlinien bilden konzentrische Kreise, die magnetische Flussdichte nimmt mit zunehmender Entfernung vom Leiter proportional zu ab und es gilt:


Ampere Definition bei LeiFi-Physik


3. Bewegung geladener Teilchen in Feldern

Glühelektrischer Effekt bei LeiFi-Physik

Bewegte Ladungen in Feldern bei LeiFi-Physik

Bewegung von Elektronen im E- und B-Feld LMU München


3.1 In homogenen elektrischen Feldern

Bewegung geladener Teilchen im homogenen Längsfeld

Elektronenkanone (Längsfeld) LMU München

Beschleunigung eines geladenen Teilchens der Ladung und der Masse beim Durchlaufen der Spannung auf dem Weg im elektrischen Längsfeld:

Endgeschwindigkeit dabei:

Für die kinetische Energie des geladenen Teilchens gilt also:

Dies führt zur Definition der Einheit Elektronenvolt (eV) als Energieeinheit in der Atom- und Kernphysik:

ist die Energie, die ein Ladungsträger mit (Elementarladung) erhält, wenn er aus der Ruhe die Spannung durchläuft.


Geladene Teilchen im homogenen Querfeld

Oszilloskop bei LeiFi-Physik

Beschleunigung eines geladenen Teilchens der Ladung und der Masse beim Durchlaufen eines homogenen elektrischen Querfelds (Ablenkkondensator) mit der Spannung und dem Plattenabstand :

Gleichung für die parabelförmige Flugbahn innerhalb des Ablenkkondensators:

Elektronenablenkröhre (Querfeld) LMU München


3.2 In homogenen magnetischen Feldern

Drei-Finger-Regel der rechten Hand

Bewegen sich geladene Teilchen in einem Magnetfeld, so wirkt auf sie die Lorentzkraft.

Ist dabei die Magnetfeldrichtung senkrecht zum Stromfluss, so ergibt sich die Richtung der Lorentzkraft nach der "Drei-Finger-Regel der rechten Hand":

Daumen in technischer Stromrichtung (von + nach -) (Ursache) und

Zeigefinger in Magnetfeldrichtung (von Nord nach Süd) (Vermittlung)

==> Mittelfinger zeigt in Richtung der Kraft (Wirkung)

Dann ist der Betrag der Lorentzkraft auf ein geladenen Teilchens der Ladung mit der Geschwindigkeit senkrecht zu einem Magnetfeld mit der magnetischen Flussdichte :


Kreisbahn von Elektronen im Fadenstrahlrohr

In einer speziellen Röhre werden Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt und in ein von Helmholtz-Spulen erzeugtes homogenes Magnetfeld gebracht und dort auf eine Kreisbahn mit Radius abgelenkt.

Die Lorentzkraft wirkt dabei als Zentripetalkraft :

Elektronen im B-Feld (Kathodenstrahlröhre) LMU München


Spezifische Ladung / Masse von Elektronen

Der Quotient wird als spezifische Ladung der Elektronen bezeichnet.

Einheitenbetrachtung dazu:

e/m-Bestimmung LMU München


Hall-Effekt

Hall-Effekt bei LeiFi-Physik

Massenspektrograf / Geschwindigkeitsfilter

WIENsches Geschwindigkeitsfilter bei LeiFi-Physik

Massenspektrograf bei LeiFi-Physik

Zyklotron bei LeiFi-Physik

Abituraufgabe Zyklotron 2011 bei LeiFi-Physik

Synchrotron bei LeiFi-Physik

CERN in 3 Minuten

CERN Education Unterrichtsmaterialien Teilchenphysik

Versuche von Kaufmann und Bucherer

Versuch von Bucherer bei LeiFi-Physik

4. Spezielle Relativitätstheorie

Das Geheimnis der Zeit - Einsteins Relativitätstheorie bei YouTube.com

Das Relativitätsprinzip bei Youtube.com

Relativität in der SRT bei YouTube.com


Postulate

P1 Relativitätsprinzip

Die Naturgesetze gelten in allen gleichförmig zueinander bewegten Bezugssystemen in gleicher Weise.

P2 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle und vom Bezugssystem, in dem sie gemessen wird, immer gleich groß.


Folgerungen

F1 Zeitdehnung

Bewegte Uhren gehen für einen äußeren Beobachter langsamer:

F2 Längenkontraktion

Körper erscheinen für einen äußeren Beobachter in Bewegungsrichtung verkürzt:

F3 Relativität der Gleichzeitigkeit

Der Begriff "gleichzeitig" ist nicht absolut, sondern relativ, also abhängig vom Bezugssystem des Beobachters.

F4 Raumzeit

Raum und Zeit stehen in direktem Zusammenhang und sind vom Bewegungszustand des Bezugssystems abhängig (vierdimensionale Raumzeit).

Um Raum zu überwinden, braucht man Zeit, aber die Lichtgeschwindigkeit ist das absolute Tempolimit! Raum lässt sich also nicht sofort überwinden, jeder Blick ist ein Blick in die Vergangenheit.

F5 Massenzunahme

Die Masse eines Körpers nimmt mit seiner Geschwindigkeit für einen äußeren Beobachter zu:

F6 Relativistische Energie / Äquivalenz von Masse und Energie

Die Gesamtenergie eines Körpers und seine dynamische Masse sind zueinander direkt proportional, Masse und Energie sind äquivalent:


Relativitätstheorie bei LeiFi-Physik

5. Elektromagnetische Induktion

6. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Elektromagnetischer Schwingkreis Simulation bei LeiFi-Physik


Dipolstrahlung Animation bei LeiFi-Physik

Abgerufen von „http://wiki.bnv-bamberg.de/flg-wiki/index.php?title=Ph12Schulheft&oldid=25352“