KAPITEL 1: Elektrizität bestimmt unser Leben

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1 KAPTEL 1: Elektrizität bestimmt unser Leben Drehrichtung Rotor tator tator Kommutator Rotorspule Kohlestifte zur Rotorspule Rotor umpolen solator leitfähige Halbzylinder Der Gleichstrommotor Ein Trommelrotor besteht aus mehreren pulen. Er kann aus jeder Position anlaufen. Der Polwechsel des Wechselstromes führt bei diesem otor nicht zu einer Änderung der Drehrichtung. Der Wechselstrommotor; der Trommelrotor 16

2 Elektrotechnische Geräte Der Elektromotor Elektromotoren bestehen aus einem feststehenden Teil, dem tator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Beim Gleichstrommotor ist der tator ein Permanentmagnet, der Rotor ein Elektromagnet. ührt man der Rotorspule trom zu, so erzeugt sie ein agnetfeld, das mit dem agnetfeld des tators in Wechselwirkung tritt. Ungleichnamige Pole ziehen sich an, der Rotor dreht sich. obald sich die ungleichnamigen Pole von tator und Rotor gegenüberstehen, hört die Drehung aber wieder auf. Damit sich der Rotor endlos drehen kann, wird die tromrichtung durch den Rotor immer dann umgedreht, wenn - und -Pol von Rotor und tator einander gegenüberstehen. Dadurch wechseln auch die Pole des Rotorfeldes und die Drehung des Rotors geht weiter. Erreicht wird das durch die tromzuführung über Kohlebürsten und Kommutator. Der Kommutator besteht aus zwei Halbscheiben mit einer isolierenden chicht dazwischen. Jede Halbscheibe ist mit einem Ende der Rotorspule verbunden. Die tromzuführung erfolgt über die Kohlebürsten, die mit edern gegen den Kommutator gedrückt werden. it Wechselstrom funktioniert ein solcher otor nicht, da die Pole des Rotorfeldes ständig wechseln. Beim Wechselstrommotor ist auch der tator ein Elektromagnet. un ändern sich mit dem Wechselstrom die Pole von tator- und Rotorfeld gleichzeitig. Die Drehrichtung des Rotors bleibt damit erhalten. Da solche otoren auch mit Gleichstrom betrieben werden können, nennt man sie auch Allstrommotoren. otoren mit einer einzigen Rotorspule können nicht von selbst anlaufen, wenn sich zu Beginn die ungleichnamigen Pole von tator und Rotor gegenüberstehen. Trommelrotoren haben dieses Problem nicht. ie bestehen aus mehreren pulen, die um einen bestimmten Winkel verdreht angeordnet sind. Auch der Kommutator muss hier entsprechend der pulenzahl mehrfach geteilt sein. Der Generator Generatoren sind ähnlich aufgebaut wie otoren, sie haben aber eine andere Aufgabe. Bei einem Generator wird der Rotor angetrieben, in pulen wird pannung induziert. Bei einem einfachen Generator ist der Rotor ein Permanentmagnet. 4. Klasse 17

3 KAPTEL 2: Die Welt des ichtbaren r r/2 r/2... cheitel... Brennpunkt... ittelpunkt phärischer Hohlspiegel Parallelstrahl Gegenstand Brennpunktstrahl ittelpunktstrahl reelles Bild Parallelstrahl virtuelles Bild ittelpunktstrahl Gegenstand Brennpunktstrahl Bildkonstruktion beim Hohlspiegel ittelpunktstrahl Parallelstrahl Brennpunktstrahl virtuelles Bild Gegenstand Bildkonstruktion beim Wölbspiegel 42

4 Optische Bauteile piegel mit gekrümmter Oberfläche können Bilder verkleinern oder vergrößern und sie teilweise auch auf eine Leinwand projizieren. Hohlspiegel (ammelspiegel) Ein sphärischer Hohlspiegel hat eine verspiegelte kugelförmige Oberfläche. Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse einfallen, werden so reflektiert, dass sie sich in einem Punkt, dem Brennpunkt, schneiden. Dies gilt allerdings nur für Lichtstrahlen die nicht zu weit von der optischen Achse entfernt sind. ür weiter außen liegende Lichtstrahlen gilt das nur ungefähr. Der Brennpunkt liegt in der itte zwischen cheitel und Krümmungsmittelpunkt. ithilfe der Hauptstrahlen kann man die Bilder konstruieren, die der piegel erzeugt. Welches Bild entsteht, hängt davon ab, wo sich der Gegenstand befindet. st er zwischen Brenn- und Krümmungsmittelpunkt, dann entsteht ein vergrößertes verkehrtes Bild. st er außerhalb des Krümmungsmittelpunktes, dann ist das Bild verkleinert und verkehrt. n beiden ällen kann man das Bild auf eine Leinwand projizieren. an nennt solche Bilder reell. Das Bild ist immer dort, wo sich die reflektierten Lichtstrahlen schneiden. Befindet sich der Gegenstand innerhalb der Brennweite, dann schneiden sich die reflektierten Lichtstrahlen nicht, ihre gedachten Verlängerungen hinter dem piegel aber schon. olche Bilder können nicht auf einer Leinwand aufgefangen werden. an kann sie aber mit den Augen sehen, wenn man in den trahlengang blickt, da das Auge die Lichtstrahlen wieder vereinigt. an nennt solche Bilder virtuell. Wölbspiegel (Zerstreuungsspiegel) Bei einem Wölbspiegel wird die nach außen gewölbte eite einer Kugel verwendet. Ein Wölbspiegel hat hinter der piegelfläche einen virtuellen Brennpunkt (bzw. Zerstreuungspunkt). Parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen werden so reflektiert, als ob sie von diesem virtuellen Brennpunkt kommen würden. Auch hier kann man wieder mit den Hauptstrahlen die entstehenden Bilder konstruieren. Unabhängig von der Position des Gegenstandes entstehen immer virtuelle, verkleinerte und aufrechte Bilder. Hochwertige optische Geräte haben keine sphärischen piegel, sondern Parabolspiegel eingebaut. Hier werden auch Lichtstrahlen, die weiter außen auf den piegel treffen, zum Brennpunkt reflektiert. Dadurch können Abbildungsfehler vermieden werden Klasse

5 KAPTEL 4: Das radioaktive Verhalten der aterie Abstoßung durch elektrische Kraft Anziehung durch Kernkraft Alle Protonen stoßen sich ab. ur benachbarte Teilchen ziehen sich an. Elektrische Kraft und Kernkraft elektrische Kraft Kernkraft Reichweite der Kernkraft Erst wenn die elektrische Abstoßung überwunden wurde, können die Teilchen fusionieren. Bei 100 io. C sind die Teilchen so schnell, dass sie bei Zusammenstößen fusionieren. Kernfusion n U Wasser eutronen absorbierende täbe warm kalt paltung eines Urankerns durch ein eutron. Uranstäbe Kontrolle der Kettenreaktion durch täbe aus eutronen absorbierendem aterial. Kernspaltung 60

6 Kernkraft und Kernenergie Die Kernkraft Die Protonen im Atomkern stoßen sich wegen ihrer positiven Ladung elektrisch ab. Gäbe es nicht eine weitere Kraft, die der Abstoßung entgegenwirkt, könnten es gar keine größeren Atomkerne geben. ur Wasserstoff würde existieren. Diese anziehende Kraft nennt man Kernkraft. ie wirkt zwischen allen Kernteilchen, hat aber eine sehr kleine Reichweite. ie beschränkt sich auf die benachbarten Teilchen. Eine olge davon ist, dass die Atomkerne einen unterschiedlich starken Zusammenhalt haben. Am stärksten ist er bei mittelschweren Kernen. Wie in der Chemie wird auch hier Energie frei, wenn ein Vorgang abläuft, der in Richtung stärkerer Bindung, stärkerem Zusammenhalt geht. Dafür gibt es zwei öglichkeiten: an kann sehr leichte Atomkerne miteinander verschmelzen, oder sehr schwere spalten. Kernfusion Bei der Kernfusion möchte man Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen. Bevor die Kernkraft wirken kann, müssen die Kerne aber sehr nahe aneinandergebracht werden. Wegen der elektrischen Abstoßung ist das allerdings schwierig. an versucht dies dadurch zu erreichen, dass man das Gas auf eine sehr hohe Temperatur bringt. Etwa 100 io. Grad Celsius sind nötig. Erst dann ist ihre thermische Bewegung so stark, dass sie bei Zusammenstößen die elektrische Abstoßung überwinden und infolge der Kernkraft miteinander verschmelzen. Die terne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Es wird aber voraussichtlich noch mehrere Jahrzehnte dauern, bis man auf der Erde durch Kernfusion Energie gewinnen kann. Kernspaltung Bei der Kernspaltung wird der entgegengesetzte Weg beschritten. ehr schwere Kerne (Uran) werden gespalten. Das erreicht man durch Beschießen mit eutronen. Dadurch werden die Urankerne in zwei mittelgroße Kerne gespalten und Energie (in orm von Wärme) wird frei. Da dabei zudem zwei bis drei weitere eutronen freigesetzt werden, kann sich der Vorgang von selbst aufrechterhalten. an spricht von einer Kettenreaktion. Wichtig ist, dass diese Kettenreaktion unter Kontrolle gehalten werden kann. Das geschieht mittels täben aus einem aterial, das freie eutronen absorbiert. ehr zum Thema Kernfusion und Kernspaltung erfährst du im Teil Praxis. 4. Klasse 61