Die Anfänge der Elektrizität und des Magnetismus

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1 Die Anfänge der Elektrizität und des Magnetismus 1. Elektrische Ladungen, magnetische Pole und ihre Eigenschaften 2. Batterien 3. Alessandro Volta Leben und Persönlichkeit 4. Elektrische Ströme und magnetische Felder 5. Elektromagnetische Induktion 6. Michael Faraday Leben und Persönlichkeit

2 Verschiedene Kompassarten Chinesischer Südweiser (etwa 1. Jahrh. v. Chr.) Schiffskompass in einer kardanischen Aufhängung Trockenkompass aus dem 13. Jahrhundert

3 Grundtatsachen zu Permanentmagneten Ein drehbar aufgehängter Stabmagnet richtet sich in Nord- Süd-Richtung aus. Das nach Norden zeigende Ende wird Nordpol des Magneten genannt. N S N S Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. N S S N N S Feld eines Stabmagneten; die Pfeile geben die Richtung der Feldlinien an

4 Leidener Flaschen

5 Experimente mit Gewitterelektrizität Drachenexperiment von B. Franklin Tod von Richmann

6 Um 1770 bekannte Phänomene der Elektrizitätslehre Entweder gibt es zwei verschiedene Arten von Elektrizität, eine positive und eine negative, oder es gibt nur eine, die dann einem neutralen Körper zugeführt oder aus ihm abgeführt werden kann. Die Elektrizitätsmenge bleibt erhalten. Das heißt, die Summe aus positiven und negativen Ladungen ist konstant. Es gibt Nichtleiter, in denen sich die Elektrizität nicht bewegen kann, und Leiter, in denen sie sich frei bewegen kann. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, entgegengesetzte ziehen sich an.

7 Kräfte zwischen zwei geladenen Kugeln r Coulombsches Gesetz (um 1790): F = f c q Q / r 2

8 Schema der Drehwaage zur Untersuchung des Coulombgesetzes q r Q

9 Coulombsches Gesetz Experimenteller Aufbau Verlauf des Lichtzeigers

10 Galvanis Froschschenkelversuch (1780) und Voltas Galvanische Zelle (1800)

11 4. Batterien und Akkumulatoren Grundversuch mit Kupfer-, Zink- und Bleiplatten:

12 Elektrochemische Spannungsreihe Fluor (F) F e 2 F +2,87 V Kupfer (Cu) Cu e Cu +0,35 V Blei (Pb) Pb e Pb 0,13 V Zink (Zn) Zn e Zn 0,76 V Lithium (Li) Li + + e Li 3,05 V Die Spannungen geben in relativen Einheiten an, ob ein Element gern Elektronen aufnimmt bzw. abgibt. Beispiel: Fluor nimmt gern Elektronen auf und hat damit eine Edelgaskonfiguration (positive Spannung), während Lithium gern Elektronen abgibt und auf diese Weise ebenfalls eine Edelgaskonfiguration erhält (negative Spannung). Eine Batterie aus zwei verschiedenen Elementen besitzt eine Spannung, die sich aus der Differenz der Einzelspannungen ergibt.

13 Energiedichten und Wirkungsgrade System Energiedichte Wirkungsgrad Bleiakku 30 Wh/kg % Lithiumionenakku Wh/kg 90 % Dieselmotor Wh/kg %

14 Alessandro Volta ( ) 1745 geboren in Como in eine wohlhabende, stark religiöse Familie 1760 Beginn seines Selbststudiums in den Naturwissenschaften 1775 Physiklehrer in Como 1778 Physikprofessor an der Uni Pavia 1792 Erfuhr er von Galvanis Froschschenkel- Experimenten 1800 Erfindung der Voltaschen Säule 1801 Präsentation der Säule bei Napoleon 1810 Erhebung in den Grafenstand 1827 bei Como gestorben

15 Magnetfelder Versuch von Oersted 1820 Feld um einen Permanentmagneten Feld um einen stromdurchflossenen Leiter

16 Definition der Stromstärkeeinheit 1 Ampere Im Jahre 1946 einigte man sich - international einheitlich - dann auf die noch heute gültige Amperedefinition: Die Einheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je ein Meter Leiterlänge die Kraft Newton hervorrufen würde. In der Praxis hat man keine unendlich langen Leiter und auch die in der Definition genannte Kraft ist extrem klein. Zur Darstellung des Normals 1A verwendet man daher andere Leiteranordnungen und steckt eine komplizierte Theorie in die Auswertung. Auch mit dem neuen Stromstärkenormal ist man inzwischen nicht mehr ganz zufrieden. Das Ampere ist von den Basisgrößen das ungenaueste Normal.

17 Faradays Experimente zur Induktion

18 Einfacher Elektromotor nach Faraday

19 Zustandekommen einer rotierenden Salzlösung durch magnetische Ablenkung ihrer Ionen

20 Michael Faraday ( )...dagegen gelang es mir, den gegenwärtig ersten Physiker Englands und Europas, Faraday, zu sehen... Das waren für mich große und angenehme Augenblicke. Er ist einfach, liebenswürdig und anspruchslos wie ein Kind, ein so herzgewinnendes Wesen habe ich in einem Manne noch nie gesehen. Hermann von Helmholtz 1791 Geboren in einem Londoner Vorort als Sohn einer armen Familie 1805 Siebenjährige Buchbinderlehre 1813 Zweite Lehre als Chemielaborant in der Royal Institution 1816 Erste wissenschaftliche Publikation 1824 Mitglied der Royal Society 1826 Einführung der Freitagabendveranstaltungen und der Weihnachtsvorlesungen für junge Hörer 1827 Professor für Chemie an der Royal Institution 1831 Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, im Jahr darauf der Gesetze der Elektrolyse und des Faraday-Käfigs 1845 Untersuchung des Lichts und verschiedener Substanzen in starken Magnetfeldern 1867 In Hampton Court gestorben

21 Faradays Lecture Theatre gestern und heute In diesem Hörsaal in der Royal Institution finden seit 1826 die Weihnachtsvorlesungen statt, die seit etlichen Jahren auch im Fernsehen übertragen werden. Links: Faraday vor teils königlichem Publikum, rechts: eine Vorlesung für Kinder aus dem Jahre 2006

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