Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde VL # 14,

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1 Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde VL # 14, Vladimir Dyakonov Experimentelle Physik VI dyakonov@physik.uni-wuerzburg.de Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI

2 Ströme erzeugen Magnetfelder Ørsted 1820

3 Wirkungen des Stromflusses: Magnetwirkung Stromdurchflossener Leiter bewirkt Auslenkung der Magnetnadel

4 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters Relais Elektromagnet Drehspulinstrument (Strommessung)

5 Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern Ursache der Kraftwirkung: Magnetfeld Andre Ampere

6 Definition Ampere Durch zwei 1m lange, parallele Leiter im Abstand von 1m fließt ein Strom der Stärke I = 1A, wenn zwischen den Leitern eine Kraft von N wirkt

7 SI Basiseinheiten Meter 1 m ist die Strecke, die das Licht im Vakuum zurücklegt in 1/ Sekunde (exakt!) Kilogramm 1 kg ist die Masse des internationalen Kilogrammtyps (Fehler: Δm/m ) Sekunde Ampère 1 s ist das fache der Periodendauer beim Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von 133 Cs (Fehler: Δt/t ) 1 A ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch zwei gerade, parallele und unendlich lange Leiter im Abstand von 1 m fließt und dabei pro Meter Leiterlänge die Kraft F = N erzeugt (Fehler: ΔF/F )

8 Wirkungen des Stromflusses: Chemische Wirkung Galvanisieren: das elektrolytische Abscheiden von metallischen dünnen Schichten

9 Entstehung einer Spannung

10 Entstehung einer Gleichgewichtsspannung Gießt man in ein Gefäß mit Wasser auf einer Seite eine Natriumchloridlösung (Na + Cl - ), verteilen sich die Na + -Ionen und Cl - -Ionen im Laufe der Zeit durch Diffusion gleichmäßig in der Flüssigkeit. Ist das Gefäß durch eine selektiv permeable Membran in zwei Hälften getrennt, die zwar die kleineren Cl - - Ionen, nicht aber die Na + Ionen passieren läßt, gelangen nur Cl - - Ionen in die andere Hälfte. Da sich entgegengesetzt geladene Ionen anziehen, wandern Na + -Ionen bis zur Membran mit. Das wirkt sich auf die Cl - -Ionen aus: Cl - -Ionen gelangen nur so lange z u r a n d e r e n S e i t e, b i s d e r D r u c k " d u r c h d a s Konzentrationsgefälle so groß ist wie der Zug" durch die Na + - Ionen. Ein Gleichgewicht stellt sich ein. Die Kraft, die den Ausstrom zum Erliegen bringt, ist als Gleichgewichtsspannung messbar.

11 Zitronenbatterie In jede Zitrone je einen Zink- und einen Kupfernagel stecken und die 4 Zitronen in Reihe schalten.

12 Erklärung

13 Erklärung Wenn zwei verschiedene Metalle in die Lösung eines Elektrolyten (z.b. Zitronensäure) gebracht werden, löst sich das "unedlere" Metall auf. Seine Atome gehen als positive Ionen in die Lösung. Der Draht selbst wird von den zurück bleibenden Elektronen negativ geladen. Dem "edleren" Metall werden durch die Lösung Elektronen entzogen; es wird daher positiv. Werden die Drähte außerhalb des Gerätes (Zitrone) leitend verbunden, so können sich die Ladungen ausgleichen. Es fließt Strom. Edlere Metalle bilden in galvanischen Elementen stets den + Pol, unedlere den - Pol. Beispiel : Zitronenbatterie (Zinkelektrode - Kupferelektrode) Das Geheimnis der Zitronenbatterie: Der Zitronensaft mit seiner Säure wirkt als Elektrolyt (so heißen Flüssigkeiten, die Strom leiten können). Die Säure wirkt in unserem Experiment wie ein "Treibstoff"; sobald sie verbraucht ist, fließt in der Frucht nichts mehr... Der schwach saure Zitronensaft und die Zinkelektrode bilden ein sogenanntes galvanisches Element, dessen Zellreaktionen wie folgt beschrieben werden: An der Zinkelektrode entstehen Zinkionen (Zn 2+ ), so dass sich das Metall langsam auflöst (Korrosion). Die

14 Elektrischer Widerstand Damit ein Strom I fließt, muß eine Spannung U anliegen I U Widerstand I = f(u) Als elektrischer Widerstand R ist das Verhältnis von Spannung U und Strom I definiert Dimension [R] = V/A = 1 Ohm = 1Ω

15 Ohmsches Gesetz Bei vielen Leitern (Metalle, Elektrolyte) ist R spannungsoder stromunabhängig I direkt proportional zu U R= const: Gültigkeitsbereich des Ohmschen Gesetzes I I 2 I 1 U 1 U 2 U

16 Ohmsche Widerstände I Kleiner Widerstand I 2 Großer Widerstand I 1 U 2 U 1 U

17 Spannungsabfall am Widerstand I Potenzialdifferenz U: U

18 Widerstand eines homogenen Leiters L A Widerstand hängt ab: Material (spezifischer Widerstand ρ [ρ] =Ωm) Geometrie (Länge L, Querschnitt A) Manchmal zweckmäßig Leitwert G (Einheit [G] = S Siemens) σ = 1/ρ spezifische Leitfähigkeit [σ] = Ω -1 m -1

19 Widerstand Verknüpfungen Verknüpfungen Stromdichte j = I/A Ohmsches Gesetz in vektorieller Form Beispiel: Kupferdraht ρ = Ωm, A = 10mm 2, l=100m R = Ω