Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester 2007

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1 Einführung in die Physik für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde Sommersemester 007 VL #6 am Vladimir Dyakonov (Klausur-)Frage des Tages n einem Blitz kann die Potentialdifferenz zwischen der Erde und der Wolke bis zu V betragen. Die Wolken befinden sich auf der Höhe 500 m und können eine Ausdehnung von 0 km haben. Betrachten Sie zur Lösung das Erde-Wolken-System als riesigen Kondensator Berechnen Sie a) die Kapazität dieses Systems b) die im Kondensator gespeicherte Ladung c) die im Kondensator gespeicherte Energie.

2 Zitronenbatterie n jede Zitrone je einen Zink- und einen Kupfernagel stecken und die 4 Zitronen in eihe schalten. Erklärung

3 Elektrischer Widerstand Damit ein Strom fließt, muß eine Spannung anliegen Widerstand = f() Als elektrischer Widerstand ist das Verhältnis von Spannung und Strom definiert = Dimension [] = V/A = Ohm = Ω Ohmsches Gesetz Bei vielen Leitern (Metalle, Elektrolyte) ist spannungsoder stromunabhängig direkt proportional zu = = const: Gültigkeitsbereich des Ohmschen Gesetzes = = 3

4 Ohmsche Widerstände Kleiner Widerstand Großer Widerstand = = < Spannungsabfall am Widerstand Potenzialdifferenz : = L bzw. L = = const. L 4

5 Widerstand eines homogenen Leiters L A Widerstand hängt ab: Material (spezifischer Widerstand ρ [ρ] =Ωm) Geometrie (Länge L, Querschnitt A) = ρ L A Manchmal zweckmäßig Leitwert G (Einheit [G] = S Siemens) G = = σ A L σ = /ρ spezifische Leitfähigkeit [σ] = Ω - m - Widerstand Verknüpfungen Verknüpfungen = = G A = = AσE ρl Stromdichte j = /A Ohmsches Gesetz in vektorieller Form Beispiel: Kupferdraht ρ = Ωm, A = 0mm, l=00m = 0.7 Ω 5

6 Spezifischer Widerstand (ρ in Ωm) Silber Leiter Kupfer Leiter Konstantan Leiter Kohle Halbleiter Germanium Halbleiter Silizium Halbleiter Bernstein solator Teflon solator > 0-3 Holz solator > Glas solator > Blut onenleiter.6 Muskeln onenleiter Fettgewebe onenleiter 33 Spezifischer Widerstand ändert sich über 3 Größenordnungen! Stromwirkung auf den Menschen Bereich : Wechselströme in diesem Bereich werden von den meisten Menschen gar nicht wahrgenommen. Bereich : Es ist ein Kribbeln zu spüren, auch schmerzhafte Verkrampfungen sind möglich. Direkte Schäden sind kaum zu befürchten. Bereich 3: Die Stromquelle kann auf Grund von Muskelverkrampfung nicht mehr losgelassen werden. Bereich 4: Schwere Schädigung und häufig tödliche Stromwirkung, z.b. durch Herzkammerflimmern 6

7 Hautwiderstandmessungen Von verschiedenen Studenten wird durch berühren der Kontakte, der Hautwiderstand an den Händen gemessen. Mensch als Widerstand Die Größe der Stromstärke im Körper hängt von der Spannung zwischen den Berührstellen und dem Körperwiderstand ab. Der Körperwiderstand sinkt mit steigender Spannung. Der Körperwiderstand hängt davon ab über welche Strecken der Strom fließen kann Stromweg Hand - Hand Hand - Fuß Hand - Füße Hände - Füße Körperwiderstand (minimal) ca. 650 Ω ca. 300 Ω ca. 975 Ω ca. 650 Ω Der Hautwiderstand beträgt einige Tausend Ohm, kann bei hohen Spannungen aber bis auf Null absinken. Beispiel: Gefährdung > 0mA, mensch 650Ω Maximale sichere Spannung ca 60 V 7

8 -V Charakteristik von Widerständen Metallfadenlampe versus Kohlefadenlampe ) Die Lichterzeugung durch den elektrischen Strom wird in den Glühlampen (Metallfadenlampen) angewendet. n ihnen wird ein dünner Draht aus einer Legierung von Wolfram mit Osmium vom Strom zum Weißglühen gebracht. Damit der Draht nicht verbrennt, befindet er sich in einem Glaskolben, aus dem die Luft mit ihrem Sauerstoff entfernt würde und der dafür mit Stickstoff, Argon oder Krypton gefüllt ist. ) Die Kohlefadenlampe ist gleich wie die Glühlampe aufgebaut. Sie hat als Glühdraht einen Kohlefaden. Die Kohlefadenlampe ist die Glühlampe, wie sie in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts von Edison oder Goebel erfunden wurde. Sie blieb bis etwa 90 in Gebrauch. Der Glühfaden im nneren besteht aus gepresster Kohle. 8

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