Einführung in die Physik

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1 Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh) Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik Klausur: Montag, um Uhr (90 min) Willstätter-HS Buchner-HS Nachklausur: Freitag, von 14:30 bis 16:30 Uhr Willstätter-HS Web-Seite zur Vorlesung :

2 Vorlesung Physik für Pharmazeuten und Biologen PPh - 12 Induktion Wechselstrom elektrischer Motor, Generator elektrischer Schwingkreis Grundgesetze Elektromagnetismus Strahlungsfeld Hertzscher Dipol Elektromagnetische Wellen

3 Bewegte Ladung und Magnetfeld

4 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Magnetische Feldstärke B [Tesla=Vs/m 2 ] I B = µ 0 2 π r I : Stromstärke r : Abstand µ 0 = 4π 10 7 Vs Am "rechte Hand Regel" Magnetische Erregung (Feldstärke) H [A/m] I H = 2 π r B 0 =µ H

5 Kraftwirkung von Magnetfeldern auf bewegte Ladungen x F x x + v x x x B v v v F = q v v B Lorentzkraft v B v F

6 Faraday: Induktion in einem bewegten Leiter Kraftwirkung vom Magnetfeld auf Ladungen im bewegten Leiter B I x v l Im konstanten Magnetfeld ist die induzierte Spannung proportional zur Änderung der von der Leiterschleife umschlossenen Fläche. Uind = dx dt B l = da dt B Leiterschleife

7 Induktion im ruhenden Leiter bei veränderlichem Magnetfeld Induktion mit Stabmagnet u. Spule

8 Faraday sches Induktionsgesetz: A v s = v A A Definition Magnetischer Fluß Φ = v B v A Für A B allgemein Φ = B A Φ = B A cosα α : Winkel zwischen A und B. Magn. Feld =magnetische Flußdichte: B = Φ A [T](Tesla) Faraday sches Induktionsgesetz: Die in einem Leiter induzierte Spannung ist der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch die Leiterfläche proportional Uind dφ = dt Uind ( B A) d db da = = A + B dt dt dt

9 Anwendung: Der Generator Φ= B A cos(ω t) Uind = d Φ dt ω : Winkelgeschwindigkeit, ω t : Winkel zwischen Fläche A und Feld (B). = B A d (cos(ω t)) dt = B A ω sin(ω t) Versuch Generator

10 mit Generator erzeugter Wechselstrom U(t) = U 0 sin(ω t +ϕ ) ω = 2π T f = ω 2π = 1 T Europa U 0 =325 V und f=50 Hz, Amerika U 0 =155 V f=60 Hz

11 Die Umkehrung des Generators: Elektromotoren 7: Kommutatoren (Polwender)

12 Die Lenzsche Regel Infolge der induzierten Spannung U ind fließt in einer geschlossenen Leiterschleife ein Strom der selbst ein Feld eb ind ereugt. Die Richtung in die der Strom fließt wird festgelegt durch die Lenzsche Regel : dφ Uind = dt "Alle durch eine Änderung des magnetischen Flusses induzierten Spannungen sind stets so gerichtet, daß die von ihnen hervorgerufenen Ströme die Ursache der Induktion zu hindern versuchen." Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, daß sein Feld der Ursache der Induktion entgegenwirkt. Versuch Lenzsche Regel

13 Grundgesetze des Elektromagnetismus 1. E = 1 4πε 0 Q r 2 Ladungen sind Quellen elektrischer Felder (Coulomb Gesetz) 2. Es gibt keine magnetischen Ladungen oder magnetische Monopole. 3. I B = µ 0 2 π r Ströme erzeugen Magnetfelder mit geschlossenen Feldlinien (Ampère'sche Gesetz) 4. Uind = d ( BA) dt Eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses in einer Leiterschleife erzeugt eine elektrische Spannung (Faraday'sche Induktionsgesetz). v F EM v = q v v ( E + B) In einem elektromagnetischen Feld wirkt auf eine Ladung die Summe aus Coulomb- und Lorentzkraft

14 Strom und Magnetismus: die Spule B = µ 0 N l I Uind = d ( BA) dt Ampère'sche Gesetz magnetische Feldstärke in einer Spule Faraday'sche Induktionsgesetz

15 Energiespeicherung Kondensator Spule Energie = Kondensato r C 2 U 2 Energie Spule = L 2 I 2 Tafel

16 Spule und Kondensator: der elektrische Schwingkreis C 2 U 2 + L 2 I 2 = const Energieerhaltung ω = 1 L C Eigenfrequenz T = 2π L C

17 "Getriebener" elektrischer Schwingkreis Energiezufuhr durch Schalter Meißnersche Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung von ungedämpften Schwingungen

18 Der Hertzsche Dipol Der Hertzér Original Aufbau Höchste Frequenzen lassen sich bei kleinsten Werten von L und C erzielen. Reduktion des Schwingkreises zum Stab -> Hertz scher Dipol Versuch Dipolstrahlung

19 Das Strahlungsfeld des Hertz`schen Dipols

20 Elektromagnetische Wellen

21 Polarisation Ein senkrecht zum Sendedipol ausgerichteter Empfangsdipol nimmt keine Strahlungsenergie auf. Die Strahlung ist polarisiert. Polarisationsrichtung des Lichts Orientierung des Polarisators. E B ϕ Die Transmission der EM Welle hängt vom Polarisationswinkel ϕ ab. el. Feldvektor Intensität: E T = E 0 cos(ϕ ) I T = I 0 cos 2 (ϕ ) Mikrowellen-Polarisatoren

22 Spektrum elektromagnetischer Wellen: