Post on 05-Apr-2015
Überblick Physik- kurz vor dem Abi
Teil III: Induktion - EM-Wellen
Erstellt von J. RudolfÜberarbeitet von H.Brehm
Inhalt Induktion Wechselstrom Elektromagnetische Schwingungen Elektromagnetische Wellen
Induktion (1) Faradays Induktionsgesetz
magnetischer Fluss = B As
„Feldlinien-Dichte“ B wichtig: senkrechte Fläche!!! AS
Induktion durch Flächen-Änderung Ursache: Lorentz-Kraft Experiment: Leiter auf Schienen ...
„Abkürzung“: Uind = n B d vs
Experiment: Leiter dreht sich „Abkürzung“: Uind = n B A cos(t)
)( ssInd ABABnnU
Induktion (2) Induktion durch B-Feld-Änderung
Experiment: große Spule in kleiner Spule In großer Spule Strom verändern B = 0
. n/l . Ierr
Ursache: Elektrisches Wirbelfeld linke Hand-Regel Experiment: elektrodenlose Ringentladung
stark veränderliches B-Feld Elektronen auf Kreisbahn beschleunigt Leuchten!
)( ssInd ABABnnU
Induktion (3) Lenzsches Gesetz (= Vorzeichen)
„Induktionsspannung ist so gepolt:“ Wenn ein Induktionsstrom fließt, dann wirkt er seiner Ursache entgegen Bsp.: Strom wirkt B-Feld Abnahme
entgegen Techn. Anwendung: Wirbelstrombremse
)( ssInd ABABnnU
Induktion (4) Selbstinduktion
Experiment „Verspätetes Lämpchen“ Lämpchen bei der Spule leuchtet erst
mit Verspätung auf Durch Einschaltvorgang wird in Spule
UInd erzeugt, die den Anstieg abbremst
UInd ~ I´ („I Punkt“) L ... ILU Ind IAABnUln
Ind )(
2
0
Einschaltvorgang an Spule Spule - Einschalten
Ansatz: I(t) =(U1+Uind)/R mit Uind=-L*I´ Beschreiben - erklären:
Strom Spannungsverlauf
Aus I(t)-Diagramm R = U1 / I L: über Tangente bei t=0
Ausschaltvorgang an Spulesiehe Schaltplan mit Lämpchen
Spule - Ausschalten Ansatz: I(t)=Uind/R mit Uind=-L*I´ Beschreiben - erklären:
Strom Spannungsverlauf
Aus I(t)-Diagramm R = U1 / I(0) L: über Tangente bei t=0
Energien Energie in Spule
W(t) = 0.5 L I²(t) Energie steckt im B-Feld Damit wird z. B. beim Ausschalten das
Lämpchen weiter betrieben Energie im Kondensator
W(t) = 0.5 C U²(t) Energie steckt im E-Feld
Wechselstrom (1) Erzeugung
Durch rotierende Spule Û = n B A (über Induktionsgesetz) U(t)= Û*sin(t)
Darstellung Zeigerdiagramm Mit Amplitude Û und Phase t
Wechselstrom (2) Effektivwerte (immer im R-Kreis)
Gleichstromkreis bei gleicher mittlerer Leistung
Bei Sinus/Kosinus-Spannungen: Ueff=Û/2 Ieff=Î/2
Wechselstrom (3) R-Kreis: UR(t) = R I(t)
Strom und Spannung in Phase Ohmscher Widerstand: R = ÛR/ Î
C-Kreis: UC(t) = Q(t) / C Strom vor Spannung (erklären!!) kapazitiver Blind-Widerstand: XC = ÛC/ Î = 1/(C) Hochpass
L-Kreis: UL(t) = -L I´(t) Strom nach Spannung (erklären!!) induktiver Blind-Widerstand: XL = ÛL/ Î = L Tiefpass
Merkregel Beim Kondensator eilt der Strom
vor, bei Induktivitäten tut es sich verspäten.
Beim Ohmschen Widerstand ist Strom und Spannung in Phase
Wechselstrom (4)nicht Stoff der schriftlichen Prüfung!
RL-Kreis / RC-Kreis / RCL-Kreis (in Reihe) Ansatz: Ugesamt(t) = UR(t) + UC(t) + UL(t) Zeigerdiagramm Z und Schein-Widerstand Z = (R²+(XL-XC)²) Stromamplitude: Î = Ûgesamt / Z Phase von U(t) zu I(t): tan() = (XL-XC)/R Teilspannungen
Am Widerstand: ÛR = R Î (in Phase mit I) Am Kondensator: ÛC= XC Î (/2 nach I) An der idealen Spule: ÛL = XL Î (/2 vor I) An der realen Spule: ÛRL = (R²+XL²) Î
Phase URL(t) zu I(t): tan(RL) = XL/R
XC
ÛC
XL ÛL R
ÛR
Î
ZÛgesamt
EM-Schwingungen (1) (R)LC-Kreis: parallel
(1): Aufladen von C mit U0 auf Q0=CU0
(2): Entladen von C über L (DGL) Spannungsansatz: UC = UL wenn R=0 DGL: Q‘‘=-(1/(LC))* Q
vgl mit s‘‘=-(D/m)*s Lösung für Q(t): Sinus-Schwingung mit = 1/(LC) Aus Randbedingungen: Amplitude und Sinus oder Kosinus I(t) = Q‘(t) und UC(t) = Q(t)/C IL(t)=-LI´(t)
Erklären!! Entladen Strom steigt Spule: Uind gegen Stromanstieg B-Feld in Spule speichert W Q = 0: Strom sinkt Spule: Uind gegen Stromabfall Kondensator lädt sich auf ...
Vgl. LC-Kreis - Federpendel
Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen
Auslenkung s Spannung U (Ladung Q =C*U)Geschwindigkeit v Stromstärke I
Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen
EM-Schwingungen (2) Meißner-Schaltung (Skizzieren – Erklären!!)
für ungedämpfte Schwingung Ziel: periodische Energiezufuhr mit = 1/(LC) Schwingkreisspule – zweite Spule:
Steuern Transistor(als Schalter) Leitet gerade nicht: UBE=0,6V (1) positiv (3) positiv UBE Transistor leitet Kondensator lädt
sich wieder auf Energiezufuhr (1) negativ (3) negativ ... Transistor sperrt ...
EM-Schwingungen (3) Hochfrequente Schwingungen
= 1/(LC) L verringern: n C verringern: A und d
... Hertzscher Dipol: Stab der Länge l Im Wechsel an den Spitzen + / - Pol: E-Feld Im Wechsel: Strom nach unten / oben: B-Feld Eigenschwingungen: l = k /2
EM- Welle (1) Hertzscher Dipol
Felder lösen sich: Veränderliches E-Feld (analog Strom): erzeugt B-Feld Veränderliches B-Feld: erzeugt E-Feld (Wirbelfeld ohne Ladung) ...
c = f Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum:
c0 = 1/(00) 3,0 . 108 m/s Nachweis: z. B. mit stehender Welle (durch Reflexion)
Im Medium: cr = c0/n mit n = r (r in unseren Fällen 1)
Nachweis der Welleneigenschaft: Reflexion / Interferenz / Stehende Wellen
EM- Welle (2) Welleneigenschaften
Schwingungen von E- und B-Feldern („EM“) E und B in Phase Auch im Vakuum: ohne Wellenträger
Transversal: E c und B c und E B Linear polarisiert (E || Dipol)
Nachweis: Empfangsdiode drehen – Lämpchen erlischt Elektromagnetische Wellen (auch Licht) sind linear
polarisierte Transversalwellen (bei Licht kann man Polarisationsfolien verwenden)
EM- Welle (3) Stehende Welle
z. B. ein Sender und Reflexion an Metallplatte an Platte: E-Knoten und B-Bauch Empfänger bewegt sich zwischen Sender und
Platte Empfangsdiode: reagiert auf E-Feld Abwechselnd Minima (Knoten) und Maxima (Bäuche) Abstand zweier Knoten: /2
EM- Welle (4) Huygens-Prinzip
„Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle“
Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Herleitung mit Huygens (!!)
Brechungsgesetz: Brechung zum Lot hin beim optisch dichteren Medium sin()/sin() = n Herleitung mit Huygens (!!) Totalreflexion: = 90° sin (grenz) = 1/n
Ende von Teil III
Gleich geht‘s weiter mit Teil IV:
Optik und Quantenphysik