Kapitel Elektrizität und Magnetismus

Elektrizität und Magnetismus … 7

E1. Elektrostatik … 7

E1.1 Elektrische Ladung … 7

E1.2 Das elektrische Feld … 12

E1.2.1 Die elektrische Feldstärke … 12

E1.2.2 Das homogene elektrische Feld … 12

E1.2.3 Das elektrische Feld einer Punktladung … 15

E1.3 Der Einfluss von Materie … 17

E1.3.1 Leiter und Nichtleiter … 17

E1.3.2 Influenz … 18

E1.3.3 Polarisation; Dipole … 20

E1.3.4 Piezoelektrizität … 21

E1.4 Beschreibung spezieller Felder … 22

E1.4.1 Feld fest vorgegebener Ladungen … 22

E1.4.2 Feld bei Anwesenheit von Leitern … 22

E1.4.3 Technische Anwendungender Kräfte im elektri … 24

E1.5 Der Kondensator … 26

E1.5.1 Plattenkondensator … 26

E1.5.2 Der Kodensator als Energiespeicher … 26

E1.5.3 Bauformen von Kondensatoren … 27

E1.5.4 Schaltung von Kondensatoren … 28

E1.6 Die elektrische Elementarladung … 30

E1.6.1 Der Millikan-Versuch … 30

E1.6.2 Das Elektronenvolt eV … 30

E2. Der Gleichstromkreis … 31

E2.1 Der Kreislauf der elektrischen Ladung … 31

E2.1.1 Wirkungen des Stromes … 32

E2.1.2 Messung von Strom und Spannung … 32

E2.1.3 Darstellung von Stromkreisen … 33

E2.2 Der elektrische Widerstand … 34

E2.2.1 Die Kennlinie eines elektrischen Bauteils … 34

E2.2.2 Das ohmsche Gesetz … 35

E2.2.3 Der Potentialverlauf in Stromkreisen … 35

E2.2.4 Die Kirchhoffschen Gesetze … 36

E2.2.5 Schaltungen von Widerständen … 37

E2.3 Spannungsquellen … 39

E2.3.1 Eigenschaften von Spannungsquellen … 39

E2.3.2 Schaltungen von Spannngsquellen … 42

E2.4 Anwendung von Widerständen … 43

E2.4.1 Regelung einer Spannungsquelle … 43

E2.4.2 Messbereichserweiterung … 44

E2.4.3 Messung von Widerständen … 45

E2.5 Arbeit und Leistung des elektrischen Stroms … 46

E2.5.1 Berechnung von Arbeit und Leistung … 46

E2.5.2 Leistungsanpassung … 48

E3. Mechanismen der Stromleitung … 50

E3.1 Stromleitung in Metallen … 50

E3.1.1 Mechanismus der Stromeitung … 50

E3.1.2 Der spezifische Widerstand … 51

E3.1.3 Der Einfluss der Temperatur … 52

E3.1.4 Andere Einflüsse auf den Widerstand … 55

E3.1.5 Thermoelektrische Erscheinungen … 55

E3.2 Stromleitung in Halbleitern … 58

E3.2.1 Reine Halbleiter, Eigenleitung … 58

E3.2.2 Dotierte Halbleiter, Störstellenleitung … 60

E3.2.3 Der pn-Übergang … 61

E3.2.4 Bauelemente der Elektronik … 62

E3.3 Stromleitung in Elektrolyten … 67

E3.3.1 Die elektrolytische Leitfähigkeit … 67

E3.3.2 Anwendungen der Elektrolyse … 70

E3.3.3 Galvanische Elemente … 71

E3.3.4 Die elektrolytische Polarisaton … 72

E3.4 Stromleitung im Vakuum … 75

E3.4.1 Einbringung von Ladungsträgern … 75

E3.4.2 Elektronenröhre … 76

E3.4.3 Bildröhre … 77

E3.5 Stromleitung in Gasen … 79

E3.5.1 Ladungsträger in Gasen … 79

E3.5.2 Stromleitung bei vermindertem Druck … 80

E3.5.3 Gasentladung bei Normaldruck … 82

E4. Magnetismus … 84

E4.1 Grunderscheinungen … 84

E4.2 Magnetfeld und Kraftwirkungen … 88

E4.2.1 Das magnetische Feld des elektrischen Stroms … 88

E4.2.2 Das Gesetz von Biot-Savart … 89

E4.2.3 Durchflutungsgesetz … 92

E4.3 Die Lorentzkraft … 94

E4.3.1 Beschreibung der Kraft … 94

E4.3.2 Das Ladungs-Masseverhältnis … 95

E4.3.3 Der Halleffekt … 97

E4.4 Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld … 98

E4.4.1 Beschreibung der Kraft … 98

E4.4.2 Die stromdurchflossene Leiterschleife … 98

E4.4.3 Technische Anwendungen … 99

E4.4.4 Kraftwirkung von Strömen untereinander … 101

E4.5 Induktion … 103

E4.5.1 Das Induktionsgesetz … 103

E4.5.2 Wirbelströme … 107

E4.5.3 Generatoren … 107

E4.5.4 Induktivität … 109

E4.6 Magnetisches Verhalten der Stoffe … 113

E4.6.1 Paramagnetismus … 113

E4.6.2 Ferromagnetismus … 113

E4.6.3 Diamagnetismus … 118

E5. Der Wechselstromkreis … 120

E5.1 Grundlagen … 120

E5.1.1 Stromarten … 120

E5.1.2 Kennwerte … 120

E5.1.3 Wechselstromwiderstände … 122

E5.1.4 Arbeit und Leistung des Wechselstromes … 124

E5.2 Der Tranformator … 126

E5.2.1 Aufbau und Funktionsweise … 126

E5.2.2 Wichtige Anwendungsgebiete … 128

E5.3 Dreiphasenwechselstrom … 130

E5.3.1 Grundprinzip des magnetischen Drehfeldes … 130

E5.3.2 Schaltungen von Generatoren du Transformato … 131

E5.3.3 Verbraucherschaltungen … 132

E5.3.4 Drehstrommotoren … 132

E5.4 Elektrizitätsversorgung … 134

E5.4.1 Kraftwerke … 134

E5.4.2 Versorgung und Verteilung … 137

E6. Elektromagnetische Schwingungen und Wellen … 138

E6.1 Elektromagnetische Schwingungen … 139

E6.1.1 Elektromagnetischer Schwingkreis … 138

E6.1.2 Elektromagnetische Schwingungen … 140

E6.1.3 Kopplung und Abstimmung elektromagnetischer … 141

E6.2 Elektromagnetische Wellen … 142

E6.2.1 Stehende Wellen längs Drähten … 142

E6.2.2 Räumliche elektromagnetische Wellen … 144

E6.2.3 Entstehung elektromagnetischer Wellen … 145

E6.3 Das elektromagnetische Spektrum … 148

E6.3.1 Elektromagnetische Wellen … 148

E6.3.2 Bereiche des elektromagnetischen Spektrums … 151

E6.4 Nachrichtenübertragung … 152

E6.4.1 Umwandlung von Information in elektromagnet … 153

E6.4.2 Modulation … 154

E6.4.3 Übertragung … 154

E6.4.4 Demodulation … 156

E6.4.5 Rückwandlung in Information … 156

E6.4.6 Radar … 157

  • Wie ist das Atom aufgebaut?   
  • Welche Eigenschaften haben die Atombestandteile bezüglich Masse   
  • Was sind Ladungsträger?   
  • Was ist ein „Faraday’scher Käfig“?   
  • Zwischen zwei (in Feldrichtung gemessen) 2 mm voneinander entfernten   
  • Was ist der Unterschied zwischen einem Isolator und einem Leiter?   
  • Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron   
  • Welche Ladung erzeugt in Petroleum in 15 cm Entfernung eine Feldstärke   
  • Wie nennt man die Kraft, die auf eine bewegte Ladung in einem   
  • Bei welchem Mineral wurden erstmals magnetische Kräfte entdeckt?   
  • Welche anschauliche Bedeutung hat die elektrische Spannung einer   
  • Was geschieht beim Zerstäuben von Flüssigkeiten?   
  • Zwei gleichnamige Kugeln vom Radius 10 cm stoßen einander bei   
  • Zwei positive Ladungen von 0,5 µC und 0,2 µC sind 1 m voneinander   
  • Was ist Plasma?   
  • Zwei sinusförmige Ströme `i_1` und `i_2` haben 90° Phasendifferenz.   
  • Welche Phasenbeziehung besteht zwischen Wechselstrom und Wechselspannung   
  • Welche Leistung wird in einem ohm'schen Widerstand von 800 Ω   
  • Welche Leistung wird in einem ohm'schen Widerstand von 800 Ω   
  • Wie groß ist der Scheitelwert bei der normalen Spannungsversorgung   
  • Auf dem Oszilloskop ist die Zeitbasis auf 5 ms pro Kästchen   
  • Bei welcher Spannung nimmt eine Spule von 20 mH, deren ohm'scher   
  • Welchen Strom erzeugt die Netzspannung (230 V, 50 Hz) in einem   
  • Welche Widerstände gibt es im Wechselstromkreis?   
  • Bei einer Spannung von 230 V fließt durch einen Motor ein Strom   
  • Wodurch unterscheidet sich die Stromleitung in Flüssigkeiten   
  • Wodurch entstehen die Ionen in einem Elektrolyten?   
  • Aus einer CuS04-Lösung werden in 30 min 1,19 g Cu abgeschieden.   

Alle Aufgaben zu diesem Kapitel …

  • Eine Ladung von 1 µC werde aus dem Unendlichen an einen Punkt   
  • Welche Spannung ist notwendig, um bei einer Frequenz von 50   
  • Wie groß ist der Strom, den eine Wechselspannung von 230 V   
  • Für einen Motor mit 86% Wirkungsgrad ist ein Leistungsfaktor   
  • Wie groß ist der Leistungsfaktor eines Verbrauchers, der bei   
  • Ein Elektrolysegefäß mit dem Elektrolyten `"AgNO"_3` (`k=1,118" mg/C"`)   
  • Eine Taschenlampenbatterie mit einer Spannung von 4,5 V und einer   
  • Wie groß ist die Arbeit, die beim Transport von 100 mC zwischen   
  • Zwischen zwei Kondensatorplatten im Vakuum (Abstand 2 cm) besteht   

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