Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

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2 2 Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms So kann man die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nachweisen. Die magnetische Wirkung einer Spule hängt von der Stromstärke und der Windungszahl ab. Ein Eisenkern verstärkt die magnetische Wirkung. Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Wenn durch eine Spule Strom fließt, wird sie magnetisch. Je höher die Stromstärke ist und je mehr Windungen die Spule hat, desto stärker ist das Magnetfeld. Ein Eisenkern verstärkt die magnetische Wirkung der Spule. Eine stromdurchflossene Spule mit einem Eisenkern heißt Elektromagnet.

3 3 Anwendungen des Elektromagneten: Elektromotor und Relais Die wichtigsten Bauteile des Elektromotors Relais: Wenn der Kontakt im Steuerstromkreis geschlossen wird, schließt sich auch der Kontakt im Arbeitsstromkreis. Ein zerlegter Elektromotor und ein Relais Gleichstrommotor: Der Anker eines Gleichstrommotors dreht sich wegen der gegenseitigen Anziehung bzw. Abstoßung zwischen den Magnetpolen des Ankers und des Feldmagneten. Der Polwender bewirkt eine Umkehr der Stromrichtung und damit der Pole des Ankers. Relais: Wenn man den Schalter im Steuerstromkreis schließt, wirkt der Elektromagnet und der Kontakt im Arbeitsstromkreis wird geschlossen. Anwendungsbeispiele: Anlasserrelais und Scheinwerferrelais beim Auto, Schaltrelais in der Waschmaschine

4 4 Die elektromagnetische Induktion Wenn sich das Magnetfeld in einer Spule ändert, entsteht Spannung so genannte Induktionsspannung. Die Induktionsspannung ist umso größer je stärker der Magnet ist, je größer die Windungszahl der Spule ist, je schneller sich der Magnet bewegt. Anwendungsbeispiele: Der Fahrraddynamo und die Generatoren in den Kraftwerken erzeugen Induktionsspannung (Wechselspannung).

5 5 Kraftwerke Das Laufkraftwerk Ybbs- Persenbeug (NÖ): Hier werden Kaplanturbinen eingesetzt. Der Stausee des Speicherkraftwerkes Kaprun: Hier werden Peltonturbinen eingesetzt. Der Aufbau eines Wärmekraftwerks Der größte Teil der elektrischen Energie, die wir brauchen, wird in Wasserkraftwerken und Wärmekraftwerken erzeugt. In Wasserkraftwerken treibt die Energie des fließenden Wassers eine Turbine an, in Wärmekraftwerken die Energie des heißen Wasserdampfs. Die Turbine treibt den Generator an, dieser erzeugt Spannung durch Induktion. Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke. Die Energie zur Erzeugung des Wasserdampfs wird aus der Kernspaltung gewonnen.

6 6 Der Transport elektrischer Energie Der Weg der elektrischen Energie Es gibt zwei Möglichkeiten, die gleiche Menge elektrischer Energie zu transportieren: mit hoher Spannung, jedoch geringer Stromstärke und umgekehrt.

7 7 Der Transformator Ein Transformator (Trafo) besteht aus zwei voneinander unabhängigen Spulen, die durch einen geschlossenen Eisenkern verbunden sind. Die beiden Spulen heißen Primärspule und Sekundärspule. Die Primärspule wird an eine Wechselstromquelle angeschlossen. In der Sekundärspule wird Spannung durch Induktion erzeugt. Die Spannung an der Sekundärspule ist geringer (höher) als die Spannung an der Primärspule, wenn die Sekundärspule weniger (mehr) Windungen hat als die Primärspule.

8 8 Elektroschutz Elektrogeräte mit Metallgehäusen müssen mit Schutzkontaktsteckern (Schukosteckern) an die Steckdose angeschlossen werden. Das Elektrogerät ist in Ordnung. Der FI-Schalter unterbricht den Stromkreis nicht. Der FI-Schalter merkt das Fehlen elektrischen Stroms und unterbricht den Stromkreis. Sicherungen (Leitungsschutzschalter) unterbrechen den Stromkreis bei Kurzschluss und Überlastung. Der FI-Schalter (Fehlerstromschutzschalter) unterbricht den Stromkreis bei Körperschluss (Gehäuseschluss).

9 9 Elektronik Aufladen (links) und Entladen eines Kondensators Diode zum Gleichrichten (oben) und Leuchtdioden Ein Transistor Die Diode lässt den Strom nur in einer Richtung durch. Schaltzeichen: Der Kondensator speichert elektrische Energie. Schaltzeichen: Der Transistor wird als elektronischer Schalter und als Verstärker eingesetzt. Die Anschlüsse heißen Basis (B), Emitter (E) und Kollektor (C). Schaltzeichen:

10 10 Das Telefon Hörkapsel (links) und Mikrofon eines Telefons Mikrofon: Spannungsschwankungen durch Induktion Hörkapsel: Schallschwankungen mithilfe zweier Magnetfelder Im Mikrofon des Telefons werden Schallwellen mithilfe elektromagnetischer Induktion in Stromschwankungen umgewandelt. Diese werden durch Leitungen zum Empfänger übertragen. Die Hörkapsel des Telefons wandelt die Stromschwankungen mithilfe von Magnetfeldern wieder in Schallschwankungen um.

11 11 Vom Fernsehen Die Lochmaske lenkt die drei Elektronenstrahlen auf ein Farbentripel aus den drei Grundfarben. Das Fernsehbild wird zeilenweise aus Halbbildern aufgebaut. Aufnahme: In der Fernsehkamera werden Lichtbilder in elektrische Ladungsbilder umgewandelt. Die Ladungsbilder sind aus Punkten aufgebaut, die in Zeilen angeordnet sind. Sie werden in elektrische Signale umgewandelt. Wiedergabe: Auf dem Bildschirm von Fernsehgeräten mit Bildröhre werden die übertragenen elektrischen Signale durch eine Leuchtschicht wieder in sichtbare Bilder umgewandelt. Farbfernsehempfänger: Drei Elektronenstrahlen werden jeweils auf eine Dreiergruppe von kleinen Scheibchen auf dem Bildschirm gelenkt, die dann in den Grundfarben Rot, Grün und Blau aufleuchten. Aus der additiven Farbmischung der Grundfarben entsteht der farbige Bildeindruck.

12 12 Lichtausbreitung und Schatten Verschwommene Schatten aus Kernund Halbschatten Ein scharf begrenztes Kernschattenbild Entstehung der Mondfinsternis Entstehung der Sonnenfinsternis Licht breitet sich geradlinig aus. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ca km/s. Die Ursache für die Schattenbildung ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts. Mondfinsternis: Der Schatten der Erde fällt auf den Mond. Sonnenfinsternis: Der Schatten des Monds fällt auf die Erde.

13 13 Reflexion des Lichts und Spiegel So entstehen die scheinbaren Bilder des Hohlspiegels. So entstehen die wirklichen Bilder des Hohlspiegels. So entstehen die scheinbaren Bilder des Wölbspiegels. Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß. Ebener Spiegel: Das Bild des ebenen Spiegels ist scheinbar. Gegenstand und Bild sind gleich groß. Die Gegenstandsweite ist gleich der Bildweite. Hohlspiegel (Sammelspiegel): Parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen werden durch den Brennpunkt des Hohlspiegels reflektiert. Strahlen, die vom Brennpunkt aus auf den Hohlspiegel fallen, werden parallel zur optischen Achse reflektiert. Bilder des Hohlspiegels: Der Gegenstand ist innerhalb der Brennweit: Das Bild ist scheinbar, aufrecht und vergrößert. Der Gegenstand ist außerhalb der Brennweite: Das Bild ist wirklich, umgekehrt und vergrößert oder verkleinert (je nach Entfernung des Gegenstands vom Brennpunkt). Wölbspiegel (Zerstreuungsspiegel): Parallel einfallende Lichtstrahlen werden zerstreut. Die Bilder des Wölbspiegels sind scheinbar, aufrecht und verkleinert.

14 14 Lichtbrechung Totalreflexion Lichtbrechung zum Lot (links) und vom Lot Totalreflexion an der Grenzfläche Wasser Luft Ein Lichtwellenleiter Lichtbrechung: Schräg einfallende Lichtstrahlen werden beim Übergang in ein optisch dichteres Medium zum Lot, beim Übergang in ein optisch dünneres Medium vom Lot gebrochen. Totalreflexion: Lichtstrahlen werden ab einem bestimmten Einfallswinkel an der Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium total reflektiert. Anwendung: Lichtwellenleiter zur Übertragung von Telefongesprächen und in medizinischen Instrumenten

15 15 Linsen So entstehen die wirklichen Bilder der Sammellinse. So entstehen die scheinbaren Bilder der Sammellinse, wenn du sie als Lupe verwendest. So entstehen die scheinbaren Bilder der Zerstreuungslinse. Sammellinsen sind in der Mitte dicker als am Rand. Sie brechen parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen zu einem Punkt, dem Brennpunkt. Bilder der Sammellinse: Der Gegenstand ist innerhalb der Brennweit: Das Bild ist scheinbar, aufrecht und vergrößert. Der Gegenstand ist außerhalb der Brennweite: Das Bild ist wirklich, umgekehrt und verkleinert oder vergrößert (je nach Entfernung des Gegenstands vom Brennpunkt). Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner als am Rand. Parallel einfallende Lichtstrahlen werden zerstreut. Die Bilder der Zerstreuungslinse sind scheinbar, aufrecht und verkleinert.

16 16 Das Auge Auf der Netzhaut entsteht ein umgekehrtes, verkleinertes, wirkliches Bild. Beim Kurzsichtigen entsteht das scharfe Bild vor der Netzhaut. Beim Weitsichtigen entsteht das scharfe Bild hinter der Netzhaut. Hornhaut, Linse und Glaskörper des Auges wirken als Sammellinse. Auf der Netzhaut entsteht ein verkleinertes, umgekehrtes, wirkliches Bild des betrachteten Gegenstands. Akkomodation: Die Augenlinse passt ihre Krümmung der Entfernung des betrachteten Gegenstands an. Je näher die betrachteten Gegenstände sind, desto stärker krümmt sie sich. Kurzsichtigkeit: Korrektur durch Zerstreuungslinsen Weitsichtigkeit: Korrektur durch Sammellinsen Dioptrien: Das ist der Kehrwert der Brennweite (gemessen in Metern) der Linse. Nachbild: Auf der Netzhaut bleibt das Bild noch etwa 1/10 Sekunde erhalten. Ohne diese Eigenschaft unserer Augen könnten wir weder fernsehen noch Kinofilme ansehen.

17 17 Die Spektralfarben Ein Glasprisma zerlegt das weiße Licht in die Spektralfarben. Einen Regenbogen kann man nur beobachten, wenn man mit dem Rücken zur Sonne steht. So kann man die Entstehung eines Regenbogens erklären. Weißes Licht besteht aus den Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett. Diese Farben heißen Spektralfarben. Neben dem sichtbaren Licht ist im Sonnenlicht auch noch Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) und Ultraviolettstrahlung enthalten. Ein Regenbogen entsteht dadurch, dass die Regentropfen das weiße Licht der Sonne in die Spektralfarben zerlegen.

18 18 Die beschleunigte Bewegung Beschleunigung (a) ist die Geschwindigkeitsänderung pro Sekunde. Die Maßeinheit für die Beschleunigung ist 1 m/s 2. Gleichförmige Beschleunigung: Die Geschwindigkeit des Körpers nimmt in jeder Sekunde um denselben Betrag zu. Formel zur Berechnung des Weges bei der gleichförmig beschleunigten Bewegung: a s = * 2 t 2 s: Weg a: Beschleunigung t: Zeit Weg-Zeitdiagramm einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung Wenn auf einen Körper die 2 (3, 4, )-fache Kraft wirkt, ist die Beschleunigung 2 (3, 4,...)- mal so groß. Wenn auf einen Körper mit der 2 (3, 4, )-fachen Masse die 2 (3, 4, )-fache Kraft wirkt, bleibt die Beschleunigung gleich. Formel, die den Zusammenhang zwischen kraft, Masse und Beschleunigung ausdrückt: F: Kraft F = m * a m: Masse a: Beschleunigung

19 19 Die Gravitation Die gegenseitige Anziehungskraft zwischen zwei Massen heißt Massenanziehungskraft oder Gravitationskraft (Gravitation). Die Gravitationskraft hängt ab von der Masse der beiden Körper und ihrem gegenseitigen Abstand: Je größer die Masse der beiden Körper ist, desto größer ist die Gravitationskraft. Wenn die Entfernung zwischen den beiden Körpern auf den 2 (3,4, )-fachen Betrag zunimmt, sinkt die Gravitationskraft auf ¼ (1/9, 1/16, ).

20 20 Die Kreisbewegung Viele Hammerschläge zwingen die Kugel auf eine Bahn, die einer Kurve ähnlich ist. Der Steinwurf des Riesen: Wenn die Abwurfgeschwindigkeit ausreichend groß ist, fällt der Stein um die Erde Der Leitstrahl von der Sonne zur Erde überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächeninhalte. Wenn sich ein Körper auf einer gekrümmten Bahn bewegt, dann wirkt auf ihn eine Querkraft. Wenn sich ein Körper auf einer Kreisbahn bewegt, wirkt auf ihn eine Kraft, die auf den Mittelpunkt eines Kreises gerichtet ist. Diese Kraft heißt Zentripetalkraft. Satelliten werden von der Gravitationskraft auf der Umlaufbahn gehalten. Aus den Keplerschen Gesetzen: Die Planeten bewegen sich in ellipsenförmigen Bahnen um die Sonne. Die Ellipsenbahnen haben einen Brennpunkt gemeinsam. In diesem gemeinsamen Brennpunkt steht die Sonne. Die Verbindungslinie von der Sonne zu einem Planeten, der so genannte Leitstrahl, überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächeninhalte.

21 21 Die radioaktive Strahlung Halbwertszeit und Äquivalentdosis Modell zur α-strahlung am Beispiel Radium (Ra) Halbwertszeit am Beispiel Radium Modell: Schädigung von Zellen durch α- und β-strahlung Radioaktive Strahlen werden von Atomkernen ausgesendet. α-strahlen sind Teilchenströme aus Heliumatomkernen. β-strahlen sind Teilchenströme von Elektronen. γ-strahlen sind energiereiche elektromagnetische Wellen. α-zerfall und β-zerfall haben eine Elementumwandlung zur Folge. Halbwertszeit: Die Zeit, nach der die Hälfte einer bestimmten Anzahl von radioaktiven Atomkernen zerfallen ist, heißt Halbwertszeit Äquivalentdosis: Die biologische Wirkung von Strahlung wird durch die so genannte Äquivalentdosis ausgedrückt. Die Maßeinheit für die Äquivalentdosis ist ein Sievert (1 Sv): 1 Sievert (1 Sv) = 1_000 Millisievert (1 000 msv)

22 22 Isotope Der Atomkern des normalen Wasserstoffs Der Atomkern des überschweren Wasserstoffs heißt Triton. Der Atomkern des schweren Wasserstoffs heißt Deuteron. Atome mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl bezeichnet man als Isotope. Natürliche und künstliche radioaktive Isotope, so genannte Radioisotope, werden in der Medizin, Technik, Landwirtschaft usw. häufig eingesetzt.

23 23 Kernspaltung und Kettenreaktion Kernverschmelzung Kernspaltung: Der Atomkern von U-235 kann durch Aufnahme eines Neutrons gespalten werden. Die Spaltprodukte haben hohe Bewegungsenergie und sind radioaktiv. Kettenreaktion: Die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen können weitere Atomkerne spalten. Die Zahl der Neutronen und der Spaltvorgänge wächst lawinenartig an. Dieser Vorgang heißt Kettenreaktion. Kernverschmelzung: Leichte Atomkerne können zu schweren Atomkernen verschmelzen. Ursache für die Strahlungsenergie der Sonne ist die Energie, die bei der Kernverschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen zu Helium-Atomkernen frei wird.