Vorkurs Physik des MINT-Kollegs

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1 Vorkurs Physik des MINT-Kollegs Elektrizitätslehre MINT-Kolleg Baden-Württemberg 1 KIT Universität desdr. Landes Gunther Baden-Württemberg Weyreter - Vorkurs und Physik nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Universität Stuttgart

2 Einführung Klassische Mechanik Elektrizitätslehre Magnetismus Optik Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

3 Magnetfelder geschlossen Nordpol, Südpol gleiche Pole stoßen sich ab ungleiche Pole ziehen sich an Magnetische Feldstärke H Magnetische Flussdichte B = µ H: Flächendichte des magnetischen Flusses φ Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

4 Elektromagnetismus Leiter Definition (Gerader, unendlich langer Leiter) B(r) = µ 0 2π I r (1) wobei µ 0 = 4 π 10 7 N A 2 Definition (Spule) Im Inneren einer langen Spule mit n Windungen pro Längeneinheit ist das Magnetfeld homogen: B µ 0 n I Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

5 Kräfte im Magnetfeld Definition (Lorentzkraft auf bewegte Ladung) Kraft auf eine Ladung q der Geschwindigkeit v im Magnetfeld B: F L = q v B sin ϕ (2) mit Winkel ϕ zwischen Bewegungs- und Feldrichtung Definition (Lorentzkraft auf stromdurchflossenen Leiter) Kraft auf einen geraden Leiter im Magnetfeld B: F L = I L B sin ϕ (3) mit der dem Strom I, Leiterlänge L und Winkel ϕ zwischen Leiter- und Feldrichtung Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

6 Kräfte im Magnetfeld Definition (Lorentzkraft auf bewegte Ladung) Kraft auf eine Ladung q der Geschwindigkeit v im Magnetfeld B: F L = q v B sin ϕ (2) mit Winkel ϕ zwischen Bewegungs- und Feldrichtung Definition (Lorentzkraft auf stromdurchflossenen Leiter) Kraft auf einen geraden Leiter im Magnetfeld B: F L = I L B sin ϕ (3) mit der dem Strom I, Leiterlänge L und Winkel ϕ zwischen Leiter- und Feldrichtung Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

7 Aufgaben 18. Aufgabe: Lorentzkraft Ein Teilchen der Masse m = kg und der Ladung q = 1, As bewegt sich mit v = 10 6 m/s in einem homogenen Magnetfeld B = 0,1 T auf einer Kreisbahn, deren Achse parallel zum Magnetfeld ist. Berechnen Sie den Radius r und die Winkelgeschwindigkeit ω der Teilchenbahn. Verwenden Sie für die Zentripetalkraft: F = m v2 r = mvω. Antworten: a) 5,00 m, s 1. b) 0,05 m, s 1. c) 0,31 m, 3, s 1. d) 0,0031 m, s Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

8 Induktion Ein zeitlich verändertes Magnetfeld bewirkt eine elektrische Spannung. (Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus) Definition (Induzierte Spannung) Die induzierte Spannung ist proportional der Flussänderungsgeschwindigkeit: U ind = N dφ dt (4) mit der Windungszahl N Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

9 Selbstinduktion Der Strom in einer Spule hat ein Magnetfeld zur Folge, bei Stromänderung ändert sich die Flussdichte B Definition (Selbstinduktionsspannung) Die induzierte Spannung ist proportional der Stromänderungsgeschwindigkeit: U ind = L di dt (5) mit der Induktivität L Definition (Induktivität der langen Spule) L = µ A N2 l Spule mit der Fläche A, Windungszahl N und Länge l (6) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

10 Selbstinduktion Der Strom in einer Spule hat ein Magnetfeld zur Folge, bei Stromänderung ändert sich die Flussdichte B Definition (Selbstinduktionsspannung) Die induzierte Spannung ist proportional der Stromänderungsgeschwindigkeit: U ind = L di dt (5) mit der Induktivität L Definition (Induktivität der langen Spule) L = µ A N2 l Spule mit der Fläche A, Windungszahl N und Länge l (6) Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

11 Lenzsche Regel Definition (Stromrichtung bei Induktion) Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

12 Lenzsche Regel Definition (Stromrichtung bei Induktion) Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Ursache seiner Entstehung zu hemmen sucht Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

13 Energie im Magnetfeld Eine stromdurchflossene Induktivität speichert Energie: Definition (Gespeicherte magnetische Energie) E magn = 1 2 L I2 (7) mit der Induktivität L und dem Strom I Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

14 Aufgaben 19. Aufgabe: Induktionsgesetz Eine rechteckige Spule mit N = 250 Windungen und einer Fläche von A = 100 cm 2 dreht sich mit der Kreisfrequenz ω = 10 s 1 in einem konstanten Magnetfeld B = 1 T. Wie groß ist der Maximalwert der induzierten Spannung Û an den Spulenenden? Antworten: a) 2,5 V. b) 25 V. c) 250 V. d) 2500 V Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik

15 Einführung Klassische Mechanik Elektrizitätslehre Magnetismus Optik Dr. Gunther Weyreter - Vorkurs Physik