SBL Physik Einheit am 15.01.2021 - Bernd Riederer - Uni Graz

SBL Physik
Einheit am 15.01.2021

Bernd Riederer

Zusammenfassung Elektrodynamik

• Grundbegri e der Elektrodynamik:

  • Ladung: Stärke und Richtung der elektrischen Kraft

  • Strom: Bewegung der Ladungsträger

  • Spannung: Ursache der Bewegung

• Zusammenfassend:

  • Was bewegt sich, wie viel bewegt sich und wieso bewegt es sich
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Zusammenfassung Elektrodynamik
Coulombkraft und elektrisches Feld

• Coulombkraft

  • Genauere Beschreibung der Kraft (analog zur Gravitation)

  • beschreibt Anziehung und Abstoßung von Ladungsträgern

• Elektrisches Feld:

  • Beschreibt Wirkung vieler Ladungsträger auf einzelne

  • z.B. Wirkung eines Stromkabels auf rundherum verteilte Späne

Zusammenfassung Elektrodynamik
Magnetismus

• Hervorgerufen durch bewegte Ladungsträger:

  • z.B. Strom uss in einem Leiter, Elektronen in Atomen (Permanentmagnet)

  • Magnetfeld ist kreisförmig um den Leiter

  • Aufgewickelte Leiter werden zur Erzeugung gerichteter Felder genutzt

  • Magnetfelder überlagern sich und können größere Erzeugen
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Zusammenfassung Elektrodynamik
Anwendungen

• Induktion:

  • Ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt Strom uss in einem Leiter

  • Erklärung: Verschiebung der Ladungsträger

  • Bewegte Ladung (Strom)     (bewegtes) Magnetfeld

  • Anwendung: Herdplatten, Ladegeräte, …
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Fragen zur letzten Einheit?

Lorentzkraft

• Kraft die auf ein Teilchen im Elektromagnetischen Feld wirkt

• Elektrischen Teil kennen wir bereits: Fel = q ⋅ E

• Wie wirkt das Magnetfeld?

   • Bekanntester Versuch: Leiterschaukel

   • Fließt im orangen Leiter Strom bewegt sich der Leiter in Richtung des gelben
     Pfeils nach vorne

   ⃗ = q ⋅ E ⃗ + v ⃗ × B ⃗ mit v ⃗ dem Geschwindigkeitsvektor
          [              ]
                                                                                    Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/
 F
• L
                                                                                               File:Lorentzkraft_v2.svg

5.4.2) Stromkreise & Schaltungen

• Stromkreise sind notwendig um Elektrizität zu nutzen

• Müssen geschlossen sein, damit Strom iest

• Einfachste Stromkreis besteht aus 3 Komponenten:

  • Spannungsquelle (z.B. Batterie)

  • Leiter (z.B. Kabel)

  • Verbraucher/Widerstand (z.B. Glühbirne)
                                                         Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/einfache-
                                                                 stromkreise/grundwissen/stromkreiselemente
    fi
                                  fl

Stromkreise & Arten von Leiter

• Schalter: ö net Stromkreis → kein Strom uss

• Verbindung der einzelnen Elemente mittels Leiter (z.B. Kabel):

  • Leiter: leitet Strom sehr gut (metallische Festkörper, salziges Wasser)

  • Halbleiter: leitet Strom schlechter, Verwendung als Verbraucher

  • Insulator: Leitet Strom gar nicht (Gase, Öl, Kunststo e, Keramik)
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                                     fl
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Schaltplan & Verbraucher

• Schaltpläne:

  • Zur schematischen Darstellung von Stromkreisen

  • Genormte Symbole
                                                      Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/einfache-
                                                       stromkreise/grundwissen/vom-stromkreis-zum-schaltplan

  • Einfacher Stromkreis von vorher ➡ ➡ ➡ ➡ ➡ ➡ ➡ ➡

• Im realen Leben:

  • Verbraucher benötigt richtige Strommenge. Wie?
                                                      Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/einfache-
                                                              stromkreise/grundwissen/einfache-stromkreise
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Widerstand und Ohmsches Gesetz

• Zusammenhang von Strom und Spannung?

      • Versorge 1, 2, und 3 Glühbirnen mit einer xen Spannungsquelle

                       Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/widerstand-spez-widerstand/grundwissen/widerstand

      • Strom uss und Spannung hängen zusammen
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                                                              fi

Widerstand und Ohmsches Gesetz

• Ohm’sches Gesetz: Verhältnis von Strom zu Spannung ist konstant; U = c ⋅ I

                                                U
• Verhältnis bezeichnet man als Widerstand: R =   ; [R] = Ω … Ohm
                                                I

• Analogie: Gibt an wie stark Strom an Verbraucher gebremst wird

• Verursacht durch Energieabgabe/Umwandlung:

  • Glühbirne wandelt Strom in Licht

Einfache Schaltungen                                                 Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/
                                                                  komplexere-schaltkreise/grundwissen/parallelschaltung-von-
                                                                                        widerstaenden

• Serienschaltung:

  • Verbraucher werden nacheinander eingebracht

  • Ersatzschaltung mit Widerstand: R = R1 + R2

• Parallelschaltung:

  • Verbraucher werden nebeneinander eingebracht

  • Sinnvoll in Häusern: Defekte Verbraucher legen nur ihren teil lahm
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Einfache Schaltungen                                  Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/
                                                   komplexere-schaltkreise/grundwissen/parallelschaltung-von-
                                                                         widerstaenden

• Serienschaltung: U = 5 V R1 = 20 Ω R2 = 30 Ω

• Parallelschaltung: U = 5 V R1 = 50 Ω R2 = 50 Ω
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Kirchho sche Regeln

• Wichtig zur Berechnung von Schaltplänen

• 1. Regel: Knotenregel

  • An Kreuzungen eines Stromkreises iest gleich viel Strom hinein wie hinaus

  • Folge der Ladungserhaltung: Elektronen gehen nicht verloren

• 2. Regel: Maschenregel

  • Jeder Weg von einem Pol zum anderen besitzt den gleichen Spannungsabfall

  • Folge der Energieerhaltung                                                       Quelle: https://www.lei physik.de/
                                                                                elektrizitaetslehre/komplexere-schaltkreise/
                                                                                    grundwissen/kirchho sche-gesetze
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         fi
              ff
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Gleich- und Wechselstrom

• Zwei unterschiedliche Arten von Strom:

  • Gleichstrom (z.B. Batterie): Konstante Spannung und Polung

  • Wechselstrom (z.B. Steckdose): Wechselnde Spannung und Polung

  • Wechsel zwischen stark/schwach und Flussrichtung (“drehende Batterie”)

• Stromnetz:

  • Wechselstrom mit f = 50 Hz und U = 230 V

5.4.3) Elektromotor

• Wie kann man Strom erzeugen/zum Antrieb verwenden?

  • Versuch: Bewegender Magnet und Spulen

  • Magnetfeld ändert sich → Induziert Strom in Spulen

  • Drehung ändert Richtung des Strom usses
                                                                 Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/
                                                                       File:Simpel-3-faset-generator.gif

  • Erzeugt (3-Phasen)-Wechselstrom

  • Umkehrung: Strom durch Spulen → dreht Magnet (z.B. Antrieb von Auto)
                             fl

5.4.3) Elektromotor

• Gleichstromerzeugung

  • Ähnliche Methode aber Kommutator notwendig

  • sorgt für Umpolung damit Strom gleich bleibt

• Was ist besser?
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                                                               File:Animation_einer_Gleichstrommaschine_(Variante).gif

  • Anwendungsabhängig

  • Wechselstromschaltungen und Anwendungen sind komplizierter aber stabil

5.5) Elektromagnetische Wellen

• Prinzipiell das selbe wie in der Mechanik:

  • Selbe Parameter (Frequenz, Amplitude, …)

  • Periodische Hin-und-Herbewegung von …?

• Was schwingt hier?
                                                          Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM-Wave.gif

  • Schwingung des elektrischen und magnetischen Feldes

  • Bauen sich auf und wieder ab

5.5) Elektromagnetische Wellen

• Umgangssprachlich:

  • Elektrisches Feld induziert Magnetfeld

  • → induziert wieder Elektrisches Feld usw.

  • Stimmt nur teilweise in der nähe von Antennen
                                                         Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM-Wave.gif

• Mehr dazu in Kapitel Optik (Licht ist eine EM-Welle)

• Hier: Erzeugung von EM-Wellen und Datenübertragung

Erzeugung von EM-Wellen (Schwingkreis)

• Man benötigt 3 Bauteile:

  • Spannungsquelle

  • Spule

  • Kondensator (Speichert Energie/Spannung)
                                                                           Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/
                                                                            elektromagnetische-schwingungen/grundwissen/

• Ablauf:                                                                   elektromagnetischer-schwingkreis-ungedaempft

  • → Kondensator laden → Entladung über Spule → erzeugt Magnetfeld →
         → induziert Gegenstrom → lädt Kondensator (gegenpolig) → Repeat
    fi

Erzeugung von EM-Wellen (Schwingkreis)

• Spule gibt Magnetfeld auch an Umgebung ab

  • → Startpunkt einer EM-Welle

  • Antenne zur Verstärkung des Senders

• Empfang von EM-Wellen                                       Quelle: https://www.lei physik.de/elektrizitaetslehre/
                                                               elektromagnetische-schwingungen/grundwissen/
                                                               elektromagnetischer-schwingkreis-ungedaempft

  • Umkehrung des Prinzips: selber Schaltplan (ohne Quelle)

  • Ankommende Welle induziert Strom in Spule → Verarbeitung im Empfänger
   fi

Datenübertragung

• 2 Probleme:

  • Empfänger soll nicht auf alle Wellen reagieren

  • Information soll übertragen werden

• Wie kann man das lösen?

  • Welleneigenschaften modi zieren mithilfe elektronischer Bauteile im Sender

  • Möglichkeiten: Amplitude, Frequenz
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Datenübertragung

• Problem 1: Selektion                     Quelle: https://www.rtr.at/TKP/was_wir_tun/telekommunikation/spectrum/bands/FRQ_spectrum.de.html

  • Unterschiedliche Frequenzbänder für unterschiedliche Infos

  • z.B. 2.4 GHz - 5 GHz für WI-FI, 80-120 MHz für UKW-Radio

• Problem 2: Datenübermittelung

  • kleine Schwankungsbreiten um gewählte Frequenz (oder Amplitude)

  • andere Frequenz → mehr Strom uss → Umwandelbar in Bits
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