Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat. TU - Dortmund. de Kapitel 2

Transkript

1 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel Messung on Strom und Spannung Messung on Strömen (Amperemeter) el. Strom Wärme Temperaturerhöhung Längenausdehnung el. Strom Magnetfeld (s. nächstes Kapitel) Drehmoment auf magn. Dipol el. Strom Elektrolyse Abscheidung einer Stoffmenge el. Strom Spannungsabfall am Widerstand el. eld Messung des Stroms durch den Widerstand : Amperemeter in eihe geschaltet, Widerstand i sollte möglichst klein sein, damit der gemessene Strom wenig om Strom ohne Messgerät abweicht: i i Messung der am Widerstand abfallenden Spannung: Amperemeter wird mit Zusatzwiderstand parallel geschaltet, der Widerstand z + i sollte möglichst hoch sein, um den Gesamtstrom im Stromkreis möglichst wenig zu ändern. Der Strom durch das Messgerät ist i z z i

2 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel Ladungstransport in lüssigkeiten und Gasen Strom fließt in Elektrolyten lüssigkeiten, in denen Säuren, Laugen oder Salze gelöst sind, in denen sich also bewegliche onen befinden. onen bilden sich, wenn die Dissoziation (d.h. die Auflösung des gelösten Moleküls in onen) energetisch günstig ist. Dissoziation kostet Energie, aber die Anlagerung on Wassermolekülen (mit elektrischem Dipolmoment) an die onen ist mit einem Energiegewinn erbunden. Die Leitfähigkeit erhöht sich mit der onenkonzentration (mehr Ladungsträger), bis ein Sättigungszustand erreicht ist (geringer Abstand der onen behindert ihre eweglichkeit). Außerdem nimmt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur zu. n Gasen entstehen onen, wenn Atomen in Stößen die zum Entfernen eines Elektrons notwendige Energie zugeführt wird: - thermische onisation (Stöße der Atome aufgrund ihrer kinetischen Energie) - chemische Prozesse (z.. in einer Kerzenflamme) - Elektronenionisation (Stöße der Atome mit beschleunigten Elektronen) - Photoionisation (Stöße mit hochenergetischen Lichtteilchen, V- oder öntgenphotonen) Gasentladungen: Elektronen werden zwischen Kathode und Anode soweit beschleunigt, dass sie die zur onisierung benötigte Energie überschreiten. onen prallen auf die Kathode und setzen weitere Elektronen frei. Werden mehr Elektronen freigesetzt als erbraucht, brennt die Entladung selbständig. ei diesen Prozessen werden Atome auch angeregt (Leuchterscheinungen). - Glimmentladung: geringe Stromstärke in Gas bei niedrigem Druck - ogenentladung: hoher Strom bei hohem Druck, Glühemission aufgrund on Erwärmung - unkenentladung: kurzzeitige ogenentladung (litzgerät, Gewitterblitz) 2

3 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel 2 Hörnerelektroden Hochspannung ca. 0 kv. eim kleinsten Abstand ist das E-eld am höchsten, hier entsteht die Gasentladung durch onisierung der Luft. Der Gasentladungsboden wandert mit der erwärmten ionisierten Luft nach oben. ei kleinem Abstand der Elektroden bildet sich die Entladung immer wieder neu, bei größerem Abstand kann sie durch onisieren der Luft mit einer Kerzenflamme ausgelöst werden. Gasentladungsrohr Hochspannung 6 kv, während der Luftdruck kontinuierlich mit einer Vakuumpumpe ermindert wird, treten nacheinander folgende Phänomene auf: - keine Entladung bei ei Normaldruck. - rot leuchtende Säule on Anode zu Kathode - dunkler aum or der Kathode, die blau schimmert - dunkler aum wird größer - in der roten Säule bilden sich Zellen - die blaue Entladung wächst, Zellen bilden sich aus - rote Säule erschwindet Das blaue Glimmlicht entsteht durch Elektronen, die durch den Aufprall on onen auf die Kathode freigesetzt werden. Das rote Licht wird durch Elektronen on der Anode erursacht. Die Zellenabstände entsprechen der freien Weglänge. 3

4 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel Stromquellen Erzeugung on Strom - bei der Trennung on Ladungen (mechanisch, chemisch, durch nduktion...) wird Arbeit gegen die elektrostatische Anziehung geleisten. Es entsteht eine Potenzialdifferenz (elektrische Spannung). - erbindet man die Orte getrennter Ladungen mit eine Leiter, fließt ein Strom. edingungen für den Stromfluss: Ohmsches Gesetz und luss der Stromquelle dq dt d.h. die Quelle kann die Ladungen nicht unbedingt so schnell liefern, wie das Ohmsche Gesetz bei gegebenem Widerstand des Leiters erlangt. Die Klemmenspannung ("elektromotorische Kraft") der unbelasteten Quelle sinkt aufgrund des nnenwiderstands, wenn ein Verbraucher mit Widerstand angeschlossen wird und ein Strom fließt: 0 0 i und 0 i 0 i i i 0 i i i Alessandro Volta führt Napoleon seine atterie or (80) 4

5 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel 2 Galanische Elemente (elektrochemische Zellen) sind Anordnungen aus zwei Elektroden in einem Elektrolyten. ei Primärelemente erbrauchen sich die beteiligten Substanzen, sie nicht regenerierbar (atterien, on frz. battre = hauen, prügeln, dreschen, raufen etc.). Sekundärelemente sind, wenngleich nicht beliebig oft, regenerierbar (Akkumulatoren). Ein in einen Elektrolyten getauchtes Metall gibt in begrenztem Maße positie onen ab und wird durch die erbleibenden Elektronen negati. An der Grenzfläche entsteht ein elektrisches Potenzial, das einen für jedes Metall charakteristischen Wert hat. Taucht man zwei erschiedene Metalle in einen Elektrolyten, so entsteht eine Potenzialdifferenz. Verbindet man die Metalle mit einem Leiter, fließt ein Strom, dessen ichtung on den jeweiligen Potenzialen abhängt. eispiel: Elektronen fließen on einer Zinkelektrode zu einer Kupferelektrode (Strom on "Pluspol" Kupfer zum "Minuspol" Zink), wenn beide in eine Kupfersulfatlösung getaucht sind. Ein Zinkatom, das zwei Elektronen abgegeben hat, bleibt in der Lösung. Ein gelöstes Kupferatom, das zwei Elektronen aufnimmt, wird elektrisch neutral und scheidet sich an der Kupferelektrode ab. Die Zinkelektrode erbraucht sich, die Kupferelektrode wird dicker. Man sagt, Kupfer sei "eer" als Zink (edel zu sein hat offenbar etwas mit Dickwerden zu tun). Die Elektronenabgabe nennt man Oxidation, die Elektronenaufnahme eduktion. eides zusammen wird als edoxreaktion bezeichnet. Thermoelektrische Spannung entsteht, wenn zwei Metalle ringförmig erbunden sind und die beiden Kontaktstellen erschiedene Temperaturen haben. ügt man eine Spannungsquelle ein, so erwärmt sich eine der Kontaktstellen, die andere kühlt sich ab (Peltier-Effekt). 5

6 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel 2 3. Magnetostatik 3. eobachtugen Permanentmagnete ereits im Altertum wurde beobachtet, dass es Mineralien gibt, die Eisen anziehen. Auch Eisen kann diese Wirkung haben, wenn es längere Zeit einem Magnetfeld ausgesetzt wurde (z.. dem Erdmagnetfeld). Materialien, die dauerhaft diese Eigenschaft besitzen, heißen Permanentmagnete. Zwischen zwei Magneten beobachtet man anziehende und abstoßende Kräfte. Jeder Magnet hat zwei Pole, "Nordpol" und "Südpol" genannt, weil sich ein frei beweglicher Magnet (z.. eine Kompassnadel) sich ungefähr in der geografischen Nord-Süd-ichtung ausrichtet. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. 6

7 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel 2 Magnetfelder stationärer Ströme ( = const.) Gian Domenico omagnosi Hans Christian Oersted Elektrischer Strom beeinflusst eine Kompassnadel (osagnosi 802, Oerstedt 820, erstes Phänomen, das eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus zeigte). n der mgebung eines geraden Leiters richtet sich eine Kompassnadel tangential zu einem Kreis um den Leiter aus. + + Zwei parallele Leiter mit gleichsinnigem Strom ziehen sich an, mit entgegengesetztem Strom stoßen sie sich ab. Da die Leiter elektrisch neutral sind (auch wenn ein Strom fließt), kann dies nicht die elektrostatische Coulomb-Kraft sein, sondern muss die Wirkung eines anderen elds sein. Magnetische eldstärke frühere ezeichnung: magnetische lussdichte S : cgs : V s T (Tesla) 2 m -4 G (Gauss) 0 T - - 7

8 Experimentalphysik T Dortmund SS202 Shaukat. T - Dortmund. de Kapitel Magnetische Kräfte ewegte Ladung Q mit Geschwindigkeit in einem Magnetfeld E Q Q 2 2 m s V m C s J m C s N Lorentzkraft allgemeiner: Ein Strom ist eigentlich ein Vektor (hier: Dichte einer Linienladung in C/m mal Geschwindigkeit) dq weil z.. Leiter der Länge a senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld : a 3.3 Magnetfeld eines stationären Stroms Stationäre Ladungen erzeugen konstante elektrische elder: Elektrostatik Stationäre Ströme erzeugen konstante magnetische elder: Magnetostatik Eine bewegte Punktladung erzeugt keinen stationären (zeitunabhängigen) Strom. Wir betrachten also ausgedehnte zeitunabhängige Stromerteilungen.