Nur auf Docsity: Lade Physik: Grundwissen 9. Klasse und mehr Zusammenfassungen als PDF für Physik herunter!
PHYSIK: GRUNDWISSEN 9. KLASSE
Grundbegriffe der Elektrotechnik
GRÖSSE FORMEL - Bemerkungen
Magnetfeld
Raum , in dem auf ferromagnetische Körper Kräfte auftreten. Erzeugung : Dauermagnete oder
stromdurchflossene Leiter/Spule. Die Feldlinien verlaufen vom magnetischen Nordpol zum
magnetischen Südpol. U-Magnet und stromdurchflossene Spule : homogenes Magnetfeld.
Stromdurchflossener Leiter: konzentrische Kreise, die in Ebenen senkrecht zum Leiter
verlaufen.
Rechte-Faust-Regel
Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand so, dass der Daumen in die technische
Stromrichtung zeigt, dann zeigen die gekrümmten Finger in die magnetische Feldlinienrichtung.
UVW-Regel der rechten Hand
Zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung, der Zeigefinger in die Magnetfeldrichtung,
so weist der Mittelfinger in die Kraftrichtung.
Lorentzkraft FL
v Kraft auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld. F
L = 0 N:^ Ladung bewegt sich parallel
zum Magnetfeld. FL maximal: Ladung bewegt sich senkrecht zum Magnetfeld
Bewegt man einen Leiter im Magnetfeld quer zur Feldrichtung oder dreht eine Leiterschleife im
Magnetfeld, so wird zwischen den Enden eine Spannung induziert.
- im bewegten Leiter
Induktion
- im ruhenden Leiter
Ändert man das Magnetfeld, das einen ruhenden Leiter durchsetzt, so wird zwischen den Enden
eine Spannung induziert.
Regel von Lenz Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt.
Transformator S
N
NP
Us
Up
N P
NS
IS
IP ≈
Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie
Elektromotor
Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie
Generator
UP: Primärspannung
US: Sekundärspannung
NP, NS : Windungszahlen
Bei schwacher Belastung IP, IS: Stromstärken
Umwandlung von Wechselspannungen
Mechanik: Bewegungsfunktionen
mit konstanter
Geschwindigkeit v 0
mit konstanter
Beschleunigung a
aus der Ruhe heraus
Bewegung Freier Fall
x(t) = v 0 · t x(t) =
2 2
1
a ⋅ t h(t) =^
2 2
1
Zeit-Ort-Funktion − g ⋅ t
Zeit-Geschwindigkeit-Funktion v(t) = v 0 v(t) = a · t^ v(t) = – g · t
Diagramme
Atomphysik
GRÖSSE FORMEL EINHEIT/BEMERKUNG
Größe des Atoms:
Atomhülle -
Aufenthaltsbereich der Elektronen
Atomradius: r Atom m
10
−
Reiht man so viele Atome wie es Men- schen auf der Erde gibt aneinander, dann hat die Atomkette eine Länge von etwa einem Meter.
Atomkern:
Protonen und Neutronen dicht gepackt
Kernradius: rKern m
14
−
≈ ⋅ Wäre der Atomkern so groß wie eine
Kirsche, dann hätte die Atomhülle und damit das Atom die Größe der Allianz- Arena.
Ordnungszahl Z
Massenzahl M
Z ist die Zahl der Protonen im Kern
Ladung des Kerns: Q Kern = Z ⋅ e
Z ist zugleich die Zahl der Elektronen in der Atom- hülle und legt damit die chemischen Eigenschaften des Atoms fest.
Beispiel und Schreibweise eines Atomkerns:
M ist die Anzahl aller Protonen und Neutronen im Kern. Gegenüber Proton und Neutron, die sich in ihrer Masse kaum unterscheiden, besitzen die Elektronen eine vernachlässigbar kleine Masse.
Isotope
Es gibt verschiedene, chemisch ununterscheidbare Kohlenstoffatome - Isotope. Sie unterscheiden sich nicht in Z, aber durch verschiedenes M, also durch mehr oder weniger Neutronen im Kern.
C
12 (^6) ist z.B. das am häufigsten vor-
kommende Kohlenstoffisotop
Aufnahme von Energie
in Quanten
Die Atomhülle kann Energie nur in diskreten Portionen – Quanten - aufnehmen, z.B. durch Elektronenstoß, Zusammenstoß mit anderen Atomen (Wärmebewegung) oder Absorption von Licht. Die Atomhülle wechselt dabei von einem bestimmten Energieniveau auf ein höheres, „angeregtes“ Energieniveau. Es gilt der Energie- erhaltungssatz.
Die Zusammensetzung der dabei aufge- nommenen Energiequanten ist - wie ein Fingerabdruck - ein unverwechselbares Merkmal der jeweiligen Atomsorte. (siehe Absorptionslinien)
Abgabe von Energie
in Quanten
Vorher aufgenommene Energie strahlt das Atom wieder in Form von Licht, also Energiequanten – Photonen – , ab. Die Atomhülle wechselt dabei von einem angeregten Energieniveau auf ein tieferes Energieniveau. Es gilt der Energieerhaltungssatz.
Die Zusammensetzung der dabei abge- strahlten Photonen ist wie ein Finger- abdruck ein unverwechselbares Merkmal der jeweiligen Atomso rte. (siehe Linienspektrum)
Photonen
Photonen von 2,0 eV empfinden wir als rotes Licht, Photonen von 2,5 eV als grünes und Photonen von 3,0 eV als blaues Licht. Photonen mit einer Energie unter 1,6 eV (Infrarotstrahlung) und über 3,1 eV (Ultraviolettstrahlung – gefährlich!) können wir nicht sehen. Photonen der Röntgenstrahlung besitzen eine Energie von z.B. 40 keV (sehr gefährlich!).
Die Energieeinheit 1 eV – ein Elektronen- volt - ist die Energie eines Elektrons nach Durchlaufen der elektrischen Spannung U = 1,0 V.
1 eV = 1 , 6 ⋅ 10 −^19 J
Kontinuierliches Spektrum
Linienspektrum
Absorptionslinien
Eine Glühlampe emittiert Licht aller Spektralfarben von rot bis blau in einem kontinuierlichen Spektrum: Es enthält Photonen mit allen Energien zwischen 1,6 eV und 3,1 eV. Eine Gasentladungsröhre emittiert ein Linien- spektrum, das aus farbigen Linien besteht: Es enthält nur die Photonen, die diskreten Energie- übergängen der Atomhülle entsprechen (siehe Abgabe von Energie). Das kontinuierliche Spektrum des Sonnenlichts enthält dunkle Absorptionslinien, weil Atome in der Sonnenatmosphäre Photonen ganz bestimmter Energie absorbieren (siehe Aufnahme von Energie).
Musteraufgaben:
E-Lehre
- Die Generatoren eines Elektrizitätswerkes liefern bei einer Spannung von 5,5 kV die elektrische Leis-
tung Po = 4,4 MW. Das E-Werk versorgt eine Kleinstadt über eine Freileitung, welche den Gesamtwi- derstand 5,0 Ω hat. Welche Leistung würde bei direkter Übertragung in der Leitung verloren gehen? a) Um die Verluste kleiner zu halten, wird die vom Generator gelieferte Spannung vor der Übertragung in einem Transformator (1) auf 110 kV hochtransformiert und in der Kleinstadt in einem Transformator (2) auf 230 V heruntertransformiert. Beide Transformatoren haben jeweils einen Wirkungsgrad von 90%. Berechnen Sie die Leistung, die der Kleinstadt nun zur Verfügung steht, sowie den prozentualen Gesamtverlust an elektrischer Leistung bei dieser Übertragung. b) Wie teuer kommen die Leistungsverluste beim Transformieren in einer Woche, wenn der Preis für 1 kWh 14 Cent beträgt? c) Kann mit einem Transformator auch Gleichspannung transformiert werden? Begründen Sie Ihre Antwort!
( )
4 , 4
4 , 4 3 , 6 1 1 2 1
2 110 1
4 , 0 1 1
2
1 2
2 2 5 , 510
4 , 410
6 3
2
1
1
2
3
6
d NurbeiÄnderungdesMagnetfeldestritteineInduktionsspannunginderSekundärspule auf
c Kosten W P t MW MW h EUR
P P P MW kW MW P P MW
Lös P P MW MW I A P I R kW
ges P prozentualerVerlust
b geg U kVU V
Lös I A StrominderLeitung P U I R I A MW
a ges P VerlustleistunginderLeitung
Lösung geg P MW W U kV V R
kWh
Ct kWh Verlust
Ct kWh Verlust
Ct
MW
MW MW P
P P L
kV L L
MW U
P o
P
P P
V L L L
W U
P
L
o
o
o
o
o
o
L
− −
−
⋅
⋅
η
η
η
- Eine Spule ist im homogenen Magnetfeld eines Hufeisenmagneten drehbar
aufgehängt (siehe Zeichnung).
N S
a) Zeichnen Sie die Bewegungsrichtung der Spule bei gegebener Stromrichtung in die Skizze ein. Wo hat die Spule den Nordpol und wo den Südpol? b) Erläutern Sie, was an diesem Aufbau verändert bzw. ergänzt werden muss, um ihn zu einem Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, auszubauen. c) Warum kann der Elektromotor aus Teilaufgabe b) nicht mit Wechselstrom betrieben werden?
Lösung: a) Die Spule hat vorne den Südpol, hinten den Nordpol. Drehung im Uhrzeigersinn von oben gesehen. b) Nach Drehung um 90 ° bleibt die Spule stehen (ungleichnamige Pole stehen sich gegenüber). Umpolung der Stromrichtung durch Kommutator. c) Ständige Änderung der Stromrichtung in der Spule, somit ständige Änderung der Pole an der Spule ⇒ wegen Trägheit der Spule keine Drehung.
Mechanik:
- Von einem Sportwagen, der bei A startet, ist das
folgende t-v-Diagramm bekannt. a) Charakterisiere die Fahrt des Sportwagens zwischen A und E und gehe dabei insbe- sondere (qualitativ) auf die Beschleunigungen ein. b) Welche Höchstgeschwindigkeit (in km/h) erreicht der Sportwagen? c) Welche Strecke legt der Wagen zwischen C und D zurück? d) Zwischen A und E liegt die Strecke von ca. 950 m. Mit welcher mittleren Geschwindigkeit durchfuhr der Wagen diese Strecke?
Lösung:
a) A → B: Die Geschwindigkeit des Autos nimmt zu. Dabei steigt die Geschwindigkeitszunahme pro Zeitintervall im Laufe der Bewegung an. Dies bedeutet, dass die Beschleunigung zunimmt. B → C: Die Geschwindigkeit nimmt weiter zu, jedoch wird die Zunahme pro Zeiteinheit im Laufe der Bewegung kleiner, d.h. der Wert der Beschleunigung nimmt ab. C→ D: Das Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit. D→ E: Der Wert der Geschwindigkeit nimmt im Laufe der Bewegung (annähernd konstant pro Zeitintervall) ab. Die Beschleunigung ist in diesem Intervall nahezu konstant und negativ (Verzö- gerung). b) Die Höchstgeschwindigkeit beträgt etwa 30,3 m/s.
Umrechnung in km/h: 30,3 ms^ = 30,
. 3,6 kmh^ = 109 kmh
c) Der Wagen bewegt sich gleichförmig mit 30,3 m/s im Zeitintervall [20s; 33,3s]. Berechnung des Weges:
x v t x 30 , 3 13 , 3 s 402 , 99 m 0 , 40 km t
x v = ⇒Δ = ⋅Δ ⇒Δ = ms^ ⋅ = = Δ
Δ
d) Berechnung der mittleren Geschwindigkeit im Zeitintervall [0s; 43,3s]:
h
km h
km s 21 , 94 m^78 , 98 79 43 , 3 s
950 m
t
x v = = = = = Δ
Δ
- Ein Stein der Masse 200 g löst sich von einem Felsen, fällt frei und schlägt nach 8,0 Sekunden auf dem
Boden auf. a) In welcher Höhe über der Aufschlagstelle hat er sich gelöst? b) Mit welcher Geschwindigkeit trifft er am Boden auf?
Lösung:
a) h(8,0s) =
2 s
m 2
(^1 9) , 81 8 , 0 s − ⋅ 2 ⋅ = 0,31 km
b) v(8,0s) = 9,81 (^) 2 s
m (^) · 8,0s = 78 s
m
Atomphysik
- Beim Quecksilberatom können drei seiner Energieniveaus die Werte 6,7 eV, 4,9 eV und 8,9 eV zuge-
ordnet werden. a) Zeichne das zugehörige Energieniveauschema. b) Berechne die Energien der Photonen, die möglicherweise emittiert werden können! c) Gib an, zu welchem Spektralbereich die Photonen unter b) gehören. d) Könnten Photonen der Energie 2,2 eV absorbiert werden? Begründe! e) Erläutere, warum Photonen des blauen Lichts nicht absorbiert werden können.
Lösung: a)
b) Die Pfeile im Energieniveauschema rechts beschreiben alle denkbaren Übergänge, bei denen das Atom Energie in Form eines Photons abstrahlt. Die Energien der Pho- tonen stehen neben den Pfeilen.
