Grundwissen Physik 9. Klasse II

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1 Grundwissen Physik 9. Klasse II 1. Wärmelehre Die innere Energie eines Körpers enthält die Summe der kinetischen Energien und der potentiellen Energien aller seiner Teilchen, sie ist eine Speichergröße. Sie kann durch Zufuhr mechanischer Arbeit oder durch Zufuhr von Wärme geändert werden. Ändert sich die innere Energie eines Körpers, so kann sich seine Temperatur oder sein Aggregatszustand ändern. Die Temperatur ϑ eines Körpers ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie aller seiner Teilchen. Die Einheit der Temperatur ϑ ist 1 C oder 1 Kelvin = 1 K, kurz [ϑ] = 1 C bzw. [T] = 1 K (bei der absoluten Temperaturskala) Messgeräte sind Temperaturmessgeräte, im Volksmund Thermometer. Nahezu alle Körper dehnen sich bei Erwärmung aus. Wärme kann durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung von einem Körper auf einen anderen übertragen werden. Innerhalb eines flüssigen oder gasförmigen Körpers kann Wärmeströmung (Konvektion) stattfinden. Erwärmungsgesetz: W th = c m ϑ mit W th : Wärme in der Einheit 1 kj c: spezifische Wärmekapazität in 1 kj kg C ϑ: Temperaturdifferenz in 1 C Das Erwärmungsgesetz gilt nur innerhalb eines Aggregatzustandes. Änderung des Aggregatzustandes: Führt man einem Körper Wärme zu und bleibt die Temperatur dennoch konstant, d.h. die mittlere kinetische Energie des Körpers ändert sich nicht, so ändert sich der Aggregatszustand, d.h. die mittlere potenzielle Energie ändert sich. ϑ W th

2 Die Dampfturbine Hochgespannter Dampf (Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck) gelangt über Rohrleitungen zur Dampfturbine. Dort durchströmt er eine große Anzahl von Düsen, die kranzförmig in einem feststehenden Leitgitter angeordnet sind. Der vor den Düsen langsam strömende Dampf entspannt sich und bekommt dabei eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit. Der entspannte Dampf hat eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck. Die Dampfstrahlen treffen nun auf die Schaufeln des Laufrades und setzen dieses in schnelle Drehbewegung. Die Dampfteilchen geben einen Teil ihrer kinetischen Energie an die Schaufeln des Laufrades ab und erzeugen dadurch ein nutzbares Drehmoment. Das ganze wiederholt sich mehrmals, bis entspannter Wasserdampf mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit die Turbine verlässt und im Kondensator zu Wasser kondensiert. Magnetismus Ferromagnetische Stoffe sind Eisen, Nickel und Kobalt, sowie alle Legierungen mit der atomaren Gitterstruktur wie Eisen. Ein Magnet hat immer zwei Pole: Nord- (rot) und Südpol (grün). (Dipolcharakter) Magnetfeldlinien gehen immer vom Nord- zum Südpol. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Den kleinsten Magneten im ferromagnetischen Stoff stellen wir uns im Modell als Elementarmagneten vor. Magnetisieren heißt Ordnen von Elementarmagneten. Der Raum um einen Magneten, in dem magnetische Kräfte wirken, heißt Magnetfeld. Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten herrscht ein homogenes Magnetfeld. Magnetfelder lassen sich mit ferromagnetischen Stoffen abschirmen. Die Erde selbst stellt einen großen Magneten dar (ähnlich wie beim Stabmagnet). Elektrizitätslehre Ruhende elektrische Ladungen Die kleinste positive Ladung (Elementarladung) trägt das Proton (sitzt im Atomkern) die kleinste negative (Elementarladung) das Elektron (befindet sich in der Atomhülle). Ein Atom oder auch ein Körper ist positiv geladen, wenn er Elektronenmangel hat. Ein Atom oder auch ein Körper ist negativ geladen, wenn er Elektronenüberschuss hat. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Ladungen haben Mengencharakter.

3 Ein Raum, in dem elektrische Kräfte wirken, heißt elektrisches Feld. Unter elektrischer Influenz in einem Leiter versteht man die Verschiebung von Ladungen innerhalb eines elektrischen Feldes. Die Ladung Q hat die Einheit Coulomb (C). Bewegte elektrische Ladung Herrscht bei einem Metall ein elektrisches Feld, so werden die freien Leitungselektronen darin beschleunigt, d.h. sie werden vom Minuspol der Elektrizitätsquelle abgestoßen und vom Pluspol angezogen, bis sie mit Atomrümpfen in Wechselwirkung treten und abgebremst werden, es erfolgt erneute Beschleunigung,... Die Elektronenstromrichtung verläuft vom Minuspol der Elektrizitätsquelle zum Pluspol. Je mehr Ladungsträger in einer bestimmten Zeit durch einen Leiterquerschnitt transportiert werden, desto größer ist die Stromstärke. Definition: Stromstärke I (Intensity) ist der Quotient aus der Ladung Q pro Zeit t. Q 1 C 1 Kurz I = wobei [I] = = 1 A (Ampere) 1 ma = A t 1 s ma können bereits für den Menschen tödlich sein!!! Strommessgeräte müssen immer in den Stromkreis geschaltet werden. In jedem Stromkreis muss ein Energiewandler (Lampe, Elektrogerät) sein, sonst spricht man von einem Kurzschluss. Leiter für den elektrischen Strom sind alle Metalle, Kohle, Lösungen aus Salzen, Säuren und Laugen sowie Gase bei hoher Temperatur oder Unterdruck und vor allem auch der menschliche Körper. Nichtleiter sind trockenes Holz, Plastik, Glas, Pappe, Gummi, destilliertes Wasser und Gase im Normalzustand. Durch elektrischen Strom entstehen die Wärmewirkung (Toaster), die Leuchtwirkung (Glimmlampe), die magnetische Wirkung (Lastenhebemagnet) und die chemische Wirkung (Elektrolyse). Bei Gleichstrom erfolgt die Driftbewegung der Leitungselektronen (negativ geladen, extrem kleine und sehr leichte Teilchen) in eine Richtung auf den Pluspol der Elektrizitätsquelle zu. Bei Wechselstrom ändert sich die Polung der Elektrizitätsquelle und damit die Richtung der Driftbewegung mit einer Frequenz von 50 Hz. Unser Stromnetz führt Wechselstrom:

4 Der schwarze oder braune Leiter ist der Phasenleiter, der blaue der Nullleiter und der grün-gelbe der Schutzkontaktleiter, der bei einer Berührung der Phase an das Gehäuse über eine Sicherung kurzschließt das Gerät ausschaltet. Ein stromdurchflossener gerader Leiter hat ein Magnetfeld, dessen Feldlinien konzentrische Kreise mit dem Leiter als Mittelpunkt sind. Linke Faust Regel: Daumen in Elektronenstromrichtung, gekrümmte Finger zeigen in Magnetfeldrichtung von Nord nach Süd. Ein stromdurchflossener gerader Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft, die senkrecht zur Elektronenstromrichtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung ist. Linke Hand Regel oder UVW-Regel: Daumen in Elektronenstromrichtung (Ursache), Zeigefinger in Magnetfeldrichtung (Vermittlung), dann zeigt der Mittelfinger die Kraftrichtung (Wirkung) an. Die Kraft auf bewegte Elektronen im Magnetfeld heißt Lorentzkraft. Ein Elektromagnet ist eine Spule mit Weicheisenkern (ein- und ausschaltbar) Ein Gleichstrommotor besteht aus einem Anker (Spule mit Weicheisenkern), der sich in einem Magnetfeld drehen kann. Die Stromzuführung erfolgt über Schleifbürsten und den Kommutator (zwei gegeneinander isolierte Halbringe). Fließt Strom durch die Spule, so wird sie magnetisch und dreht sich im äußeren Magnetfeld so lange, bis sich ungleichnamige Magnetpole gegenüberstehen. Aufgrund ihres Schwunges dreht sie sich etwas weiter, so dass die Schleifbürsten an den anderen Kommutatorhalbring wechseln, worauf sich die Stromrichtung und die Magnetfeldrichtung im Anker ändern, so dass er sich weiterdreht. Bei einem Wechselstrommotor erfolgt die Stromzuführung über zwei gegeneinander isolierte Schleifringe. Elektrische Arbeit, elektrische Spannung, elektrische Leistung Die in einem Stromkreis verrichtete elektrische Arbeit pro Ladung bezeichnet man als elektrische Spannung U (urgency). Sie gibt an, wie stark die Elektronen Wel J J angetrieben werden. U = [U] = 1 = 1 = 1 V (Volt) Q C As Spannungsmessgeräte werden immer parallel geschaltet.

5 Größe Symbol Formel Einheit el. Arbeit Wel W el = U I t W el = P t [W el ] = 1 J = 1 Ws [W el ] = 1 kwh 1 kwh = 3600 kj El. Ladung Q Q = I t [Q] = 1As = 1C Elementarladung e - oder e + e= ±1, C (Elektron, Proton) Wärme W th W th = cm ϑ [W th ] = 1 J = 1 Ws Hubarbeit W H W H = F G h [W H ] = 1 J = 1 Ws el. Spannung U Wel Wel J U = = [U] = 1 V = 1 I t Q As el. Leistung Pel P el = U I Wel P el = t [P] = 1 VA= 1 W J [P] = 1 s Wirkungsgrad η Wnutz Pnutz η = = Wzu Pzu η < 100%