Physik 5D
Inhaltsangabe
Inhaltsangabe 1
Gleichstromlehre 2
Elektrodynamik 7
Masse und Energie in der Relativitätstheorie 12
Moderne Physik 14
Fragenkatalog + Antworten 19
Elektrostatik 19
Gleichstromlehre 23
Elektromagnetismus 25
Wechselstrom 28
Elektrische Schwingungen und Wellen 29
Spezielle Relativitätstheorie (SRT) 30
Moderne Physik 31
,Gleichstromlehre
Darum geht es:
● In der Gleichstromlehre geht es um bewegte Ladungen
● Diese bewegten Ladungen nennt man elektrische Ströme
● Wichtiger Grundsatz: Ändert sich im Laufe der Zeit der Strom nicht, so nennt man
diesen Strom einen Gleichstrom.
○ das bedeutet also: Strom ändert sich nicht = Gleichstrom
Der elektrische Strom
● Der Strom wird durch einen Amperemeter gemessen
○ Der Amperemeter zählt die Elektronen, die in einer Sekunde durch einen
Querschnitt strömen
○ Dieser Prozess = elektrischer Strom
○ → damit das funktioniert, muss der Amperemeter in einen aufgetrennten
Leiter eingefügt werden
○ Amperemeter wird auch Elektronenzähler genannt
○ wenn Zeiger des Amperemeters nach links zeigt: Strom fließt von links nach
rechts
○ wenn Zeiger des Amperemeters nach rechts zeigt: Strom fließt von rechts
nach links
● Formel: I = Q/t
○ Q = Elektronenanzahl, die durch den Querschnitt fließen
○ t = Zeit, die sie dafür brauchen
● Einheit = A → Ampere
Stromdichte
● elektrischer Strom erwärmt den Leiter, durch den er fließt
● → je größer die Stromdichte, desto heißer wird der Leiter, das passiert weil:
○ je größer die Stromdichte, desto öfter stoßen Elektronen und positive
Atomrümpfe zusammen
○ diese Stöße erhöhen die thermische Schwingung der Gitteratome
● Formel: j = I/A
○ I = Strom
○ A = Querschnitt des Stromleiters
● Einheit = A/mm2
Ursache für den Strom
● Ursache für einen Strom = Spannung
● wenn es eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten gibt, dann wirkt eine
elektrostatische Kraft auf den Träger der Ladung zwischen den zwei Punkten
○ wenn die Ladungsträger beweglich sind, dann kommt es zum Strom
● Zwei Punkte mit unterschiedlicher Potenzialdifferenz werden mit Metall verbunden →
Elektronen bewegen sich, positive Atomrümpfe bewegen sich nicht (sind fest im
Gitter gebunden)
,Anmerkungen
● damit Strom fließen kann, braucht es zwei freie Ladungsträger
● es gibt normalerweise keinen Ladungsmangel oder -überschuss
○ → das, was man verliert, kommt beim zweiten Kontaktpunkt wieder hinzu
● konstantes Potenzial gibt es bei metallischen Leitungen
● besonderer Fall: dotiertes Silizium
○ positive und negative Ladungsträger strömen hierbei in entgegengesetzte
Richtungen
● legt man Spannung an eine Elektrolytlösung, entstehen positive und negative
Ionen-Ströme
Die elektrische Spannung
● Versuch:
○ im Experiment verwendet man die Energiequelle, den Leiter, den
Amperemeter und einen Verbraucher (zB. einen Heizwiderstand)
○ Der Heizwiderstand wird warm
○ Amperemeter zeigt Strom an
○ daraus kann man schließen → Strom/Elektronenfluss fließt von der
Energiequelle durch den Leiter
○ Wärmeenergie des Heizwiderstandes → wird umgewandelt zu elektrische
Leistung
■ haben den gleichen Wert, weil Energie kann nicht verloren gehen
● 1. Formel: U = E/Q
○ E = Energie, die vom Strom übertragen wird
○ Q = Ladung, die Energie überträgt
● 2. Formel: P/I
○ P = Leistung, die vom Strom übertragen wird
○ I = Strom, der die Leitung überträgt
● Einheit = V → Volt
○ Joule/Coulomb = J/C = V
○ Watt/Ampere = W/A = V
● Spannung kann auch ein Vorzeichen haben
○ positives Zeichen: erzeugte elektrische Leistung
○ negatives Zeichen: verbrauchte elektrische Leistung
○ Nebenbemerkung: Leistung wird nicht verbraucht/erzeugt, sondern eigentlich nur umgewandelt
○ → dadurch haben Verbraucher und Energiequelle die gleiche Spannung mit
unterschiedlichem Vorzeichen
Spannungspfeile
● um Potenzialdifferenz zu zeigen: Pfeile sind parallel zum Gerät
● um Strom zu zeigen: Pfeile sind parallel zu den Leitungen
Stromrichtungen
● technische Richtung:
, ○ wird in technischen Anwendungen eingezeichnet
○ entspricht dem Strom mit positiven Ladungen
○ wurde früher eingeführt → man wusste noch nicht, dass Strom aus
Elektronen besteht
● physikalische Richtung:
○ Strom ist ein Elektronenstrom → Strom mit negativen Ladungen
● Strom fließt ab dem Verbraucher in Richtung Spannung → daraus schließt man,
dass das E-Feld Arbeit verrichtet
● bei der Energiequelle haben Spannung und Strom verschiedene Richtungen
○ bedeutet: wenn Energie entnommen wird, dann wird sie bei der Energiequelle
wieder hinzugefügt
Spannungsquellen
● Versuch:
○ Im Experiment verwendet man die Energiequelle, den Leiter, drei
Amperemeter und zwei Verbraucher (zB. zwei Heizwiderstände)
○ → Parallelschaltung
○ Beide Widerstände geben die gleiche Heizleistung ab
■ → Folgerung: die Energiequelle liefert die doppelte Leistung
○ Gesamtstrom = Summe aller Teilströme
■ → Folgerung: der Strom hat sich auch verdoppelt
○ dann folgt die Berechnung der Spannung
■ Beobachtung: Die Spannung ändert sich nicht
○ → Spannungsmessung mit einem Voltmeter muss bei einer Parallelschaltung
erfolgen
● Spannungsquelle = eine Quelle für elektrische Energie, die das Verhältnis P/I
konstant hält
○ Beispiele: Batterien, Steckdosen
Reihenschaltung von Spannungsquellen
● hierbei addiert man die Spannung aller Quellen
○ kompliziert: man addiert die Potenzialdifferenzen zum Gesamtpotenzial
Parallelschaltung von Spannungsquellen
● Spannungsquelle muss gleiche Anfangsspannung und Spannungskennlinien haben
● wenn das erfüllt ist, dann funktioniert alles
● ansonsten Kurzschluss mit unendlich hohem Strom
Widerstand und Verbraucher
● verbindet man zwei Punkte mit verschiedenem Potenzial mit Metall → es entsteht ein
extrem schneller Ladungsaustausch
○ weil: Metalle haben sehr viele Elektronen
○ dadurch ist der Ausgleichsstrom sehr hoch → der Leiter/Metall erwärmt sich
● Um das zu verhindern gibt es Widerstände
Inhaltsangabe
Inhaltsangabe 1
Gleichstromlehre 2
Elektrodynamik 7
Masse und Energie in der Relativitätstheorie 12
Moderne Physik 14
Fragenkatalog + Antworten 19
Elektrostatik 19
Gleichstromlehre 23
Elektromagnetismus 25
Wechselstrom 28
Elektrische Schwingungen und Wellen 29
Spezielle Relativitätstheorie (SRT) 30
Moderne Physik 31
,Gleichstromlehre
Darum geht es:
● In der Gleichstromlehre geht es um bewegte Ladungen
● Diese bewegten Ladungen nennt man elektrische Ströme
● Wichtiger Grundsatz: Ändert sich im Laufe der Zeit der Strom nicht, so nennt man
diesen Strom einen Gleichstrom.
○ das bedeutet also: Strom ändert sich nicht = Gleichstrom
Der elektrische Strom
● Der Strom wird durch einen Amperemeter gemessen
○ Der Amperemeter zählt die Elektronen, die in einer Sekunde durch einen
Querschnitt strömen
○ Dieser Prozess = elektrischer Strom
○ → damit das funktioniert, muss der Amperemeter in einen aufgetrennten
Leiter eingefügt werden
○ Amperemeter wird auch Elektronenzähler genannt
○ wenn Zeiger des Amperemeters nach links zeigt: Strom fließt von links nach
rechts
○ wenn Zeiger des Amperemeters nach rechts zeigt: Strom fließt von rechts
nach links
● Formel: I = Q/t
○ Q = Elektronenanzahl, die durch den Querschnitt fließen
○ t = Zeit, die sie dafür brauchen
● Einheit = A → Ampere
Stromdichte
● elektrischer Strom erwärmt den Leiter, durch den er fließt
● → je größer die Stromdichte, desto heißer wird der Leiter, das passiert weil:
○ je größer die Stromdichte, desto öfter stoßen Elektronen und positive
Atomrümpfe zusammen
○ diese Stöße erhöhen die thermische Schwingung der Gitteratome
● Formel: j = I/A
○ I = Strom
○ A = Querschnitt des Stromleiters
● Einheit = A/mm2
Ursache für den Strom
● Ursache für einen Strom = Spannung
● wenn es eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten gibt, dann wirkt eine
elektrostatische Kraft auf den Träger der Ladung zwischen den zwei Punkten
○ wenn die Ladungsträger beweglich sind, dann kommt es zum Strom
● Zwei Punkte mit unterschiedlicher Potenzialdifferenz werden mit Metall verbunden →
Elektronen bewegen sich, positive Atomrümpfe bewegen sich nicht (sind fest im
Gitter gebunden)
,Anmerkungen
● damit Strom fließen kann, braucht es zwei freie Ladungsträger
● es gibt normalerweise keinen Ladungsmangel oder -überschuss
○ → das, was man verliert, kommt beim zweiten Kontaktpunkt wieder hinzu
● konstantes Potenzial gibt es bei metallischen Leitungen
● besonderer Fall: dotiertes Silizium
○ positive und negative Ladungsträger strömen hierbei in entgegengesetzte
Richtungen
● legt man Spannung an eine Elektrolytlösung, entstehen positive und negative
Ionen-Ströme
Die elektrische Spannung
● Versuch:
○ im Experiment verwendet man die Energiequelle, den Leiter, den
Amperemeter und einen Verbraucher (zB. einen Heizwiderstand)
○ Der Heizwiderstand wird warm
○ Amperemeter zeigt Strom an
○ daraus kann man schließen → Strom/Elektronenfluss fließt von der
Energiequelle durch den Leiter
○ Wärmeenergie des Heizwiderstandes → wird umgewandelt zu elektrische
Leistung
■ haben den gleichen Wert, weil Energie kann nicht verloren gehen
● 1. Formel: U = E/Q
○ E = Energie, die vom Strom übertragen wird
○ Q = Ladung, die Energie überträgt
● 2. Formel: P/I
○ P = Leistung, die vom Strom übertragen wird
○ I = Strom, der die Leitung überträgt
● Einheit = V → Volt
○ Joule/Coulomb = J/C = V
○ Watt/Ampere = W/A = V
● Spannung kann auch ein Vorzeichen haben
○ positives Zeichen: erzeugte elektrische Leistung
○ negatives Zeichen: verbrauchte elektrische Leistung
○ Nebenbemerkung: Leistung wird nicht verbraucht/erzeugt, sondern eigentlich nur umgewandelt
○ → dadurch haben Verbraucher und Energiequelle die gleiche Spannung mit
unterschiedlichem Vorzeichen
Spannungspfeile
● um Potenzialdifferenz zu zeigen: Pfeile sind parallel zum Gerät
● um Strom zu zeigen: Pfeile sind parallel zu den Leitungen
Stromrichtungen
● technische Richtung:
, ○ wird in technischen Anwendungen eingezeichnet
○ entspricht dem Strom mit positiven Ladungen
○ wurde früher eingeführt → man wusste noch nicht, dass Strom aus
Elektronen besteht
● physikalische Richtung:
○ Strom ist ein Elektronenstrom → Strom mit negativen Ladungen
● Strom fließt ab dem Verbraucher in Richtung Spannung → daraus schließt man,
dass das E-Feld Arbeit verrichtet
● bei der Energiequelle haben Spannung und Strom verschiedene Richtungen
○ bedeutet: wenn Energie entnommen wird, dann wird sie bei der Energiequelle
wieder hinzugefügt
Spannungsquellen
● Versuch:
○ Im Experiment verwendet man die Energiequelle, den Leiter, drei
Amperemeter und zwei Verbraucher (zB. zwei Heizwiderstände)
○ → Parallelschaltung
○ Beide Widerstände geben die gleiche Heizleistung ab
■ → Folgerung: die Energiequelle liefert die doppelte Leistung
○ Gesamtstrom = Summe aller Teilströme
■ → Folgerung: der Strom hat sich auch verdoppelt
○ dann folgt die Berechnung der Spannung
■ Beobachtung: Die Spannung ändert sich nicht
○ → Spannungsmessung mit einem Voltmeter muss bei einer Parallelschaltung
erfolgen
● Spannungsquelle = eine Quelle für elektrische Energie, die das Verhältnis P/I
konstant hält
○ Beispiele: Batterien, Steckdosen
Reihenschaltung von Spannungsquellen
● hierbei addiert man die Spannung aller Quellen
○ kompliziert: man addiert die Potenzialdifferenzen zum Gesamtpotenzial
Parallelschaltung von Spannungsquellen
● Spannungsquelle muss gleiche Anfangsspannung und Spannungskennlinien haben
● wenn das erfüllt ist, dann funktioniert alles
● ansonsten Kurzschluss mit unendlich hohem Strom
Widerstand und Verbraucher
● verbindet man zwei Punkte mit verschiedenem Potenzial mit Metall → es entsteht ein
extrem schneller Ladungsaustausch
○ weil: Metalle haben sehr viele Elektronen
○ dadurch ist der Ausgleichsstrom sehr hoch → der Leiter/Metall erwärmt sich
● Um das zu verhindern gibt es Widerstände
