Feldbegriff und Feldlinienbilder Elektrisches Feld Als Feld bezeichnet man den Bereich um einen Körper, in dem ohne Berührung eine Kraft wirkt beim elektrischen Feld wirkt die elektrische Kraft. Ein Feld wird durch Feldlinien dargestellt: - Feldlinien verzweigen sich nicht - hohe Feldliniendichte: starkes Feld! Wenige Feldlinien: schwaches Feld! Ein elektrisch geladener Körper bildet ein elektrisches Feld aus, welches durch seine Ladung erzeugt wird. Die elektrische Feldlinie gibt die Richtung der Kraft auf eine positive Probeladung an. Beispiele: Elektron positive und negative Ladung Magnetisches Feld Ein Magnet bildet ein magnetisches Feld in seiner Umgebung aus. Die magnetische Feldlinie gibt die Richtung der Kraft auf den Nordpol einer Magnetnadel an. Beispiele: Stabmagnet, stromdurchflossener Leiter - Elektrisch geladenen Körper im elektrischen Feld: Es wirkt eine elektrische Kraft Kraft auf Ladungsträger im elektrischen Feld - Ein Längsfeld wirkt beschleunigend, ein Querfeld ablenkend auf sich darin bewegende Ladungsträger - Ein Elektron, das durch die Spannung 1 Volt beschleunigt wurde, hat die kinetische Energie 1 Elektronenvolt (kurz 1eV) aufgenommen. Das ist die gängige Einheit kleine Energiemengen. Umrechnung: 1 ev = 1,6 10-19 J - Magnet im Magnetfeld eines anderen Magneten: Es wirkt eine magnetische Kraft. Kraft auf Ladungsträger im magnetischen Feld - Elektrisch geladener Körper in einem magnetischen Feld: Es wirkt die Lorentzkraft (3-Finger-Regel der rechten Hand für ihre Richtung)
Elektronenbeugungsröhre Gesetz der elektromagnetischen Induktion und die Regel von Lenz Elektromotor In einem Leiter wird eine Spannung induziert, wenn sich das ihn umfassende Magnetfeld ändert. Die induzierte Spannung U i hängt von der Schnelligkeit und der Stärke der Änderung sowie bei einer Spule von deren Bau (Windungszahl, Querschnittsfläche) ab. Regel von Lenz: Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegen wirkt. Im Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Der Kommutator sorgt dafür, dass sich nach einer halben Umdrehung die Stromflussrichtung ändert. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische um. Oft wird er nach einem ähnlichen Prinzip gebaut wie der Elektromotor. Generator Transformator Unterscheide: Elektromotor: E mech E el ( Bewegung + Magnetfeld elektrischer Spannung ) Generator: E el E mech ( elektrischer Spannung + Magnetfeld Bewegung ) Im Primärstromkreis wird eine Spule mit Wechselspannung betrieben. Diese Spule ist durch einen geschlossenen Weicheisenkern mit einer weiteren Spule im Sekundärstromkreis magnetisch gekoppelt. Die beiden über den Weicheisenkern gekoppelten Spulen nennt man Transformator UP NP Es gilt: bzw. US NS UP I S (idealer belasteter Trafo) U I S P
Aufbau von Atom und Atomkern inklusive Quarks mit Größenverhältnis In der Atomhülle befinden sich die Elektronen auf Energieniveaus. Photonen und ihre Entstehung Das kontinuierliche Spektrum - Eine Lichtquelle sendet kleine Portionen von Energie aus. Diese heißen Photonen. - Photonen einer einzigen Spektralfarbe haben alle dieselbe Energiemenge. - Die gängige Einheit für so kleine Energiemengen ist 1eV (Elektronenvolt). - Springt ein Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau im Atom, wird die Energiedifferenz als Photon abgestrahlt. Man nennt dies Emission. - Wird ein Elektron durch Aufnahme der Energie eines Photons auf ein höheres Energieniveau gehoben, heißt dieser Vorgang Absorption. Sichtbares Licht besteht aus unterschiedlichen Farben. Zerlegt man weißes Licht mit einem Prisma, so erhält man kontinuierliches mit allen Spektralfarben: Sichtbares Licht hat Energien von 1,6eV bis 3,2eV. Glühende Körper erzeugen dieses Spektrum. Das Linienspeketrum Ein heißes Gas strahlt nur Photonen ganz bestimmter Energien ab, da es in den Gasatomen dieselben Energieniveaus gibt, die zu denselben Energiedifferenzen, also zu denselben Farben führt. Diese sehen wir im Linienspektrum (auch diskretes Spektrum genannt). Beispiel: Röntgenstrahlung - Photonen mit Energien im kev-bereich gehören zur Röntgenstrahlung, die in einer Röntgenröhre erzeugt wird. - Ihr Spektrum besteht aus einem Bremsspektrum (entsteht beim Abbremsen der schnellen (energiereichen) Elektronen) und einen charakteristischen Spektrum (Absorption und Emission von Photonen im Anodenmaterial) - Typisches Diagramm
Radioaktive Strahlung: Ihre Arten und Eigenschaften Die Aktivität einer radioaktiven Substanz - Strahlung, die aus dem Atomkern kommt, heißt radioaktive Strahlung. - Ihre Energie liegt im MeV-Bereich - Wir unterscheiden drei Strahlungsarten: Alpha-Strahlung: Heliumkern (Papier schirmt ab, reicht nur wenige cm weit) Beta-Strahlung: energiereiche Elektronen (Alu-Blech schirmt ab, reicht wenige m weit) Gamma-Strahlung: energiereiche Photonen (Bleiplatte schirmt ab, reicht viele m weit) - Die Aktivität eines radioaktiven Präparats gibt an, wie viele Kernzerfälle in einer bestimmten Zeit stattfinden. - Ihre Einheit ist (Becquerel) - Man berechnet sie so: Halbwertszeit Kernumwandlungen Massendefekt und Bindungsenergie - Die Zeit, in der die Aktivität eines radioaktiven Präparats auf die Hälfte abgesunken ist, heißt Halbwertszeit T 1/2. - Sie ist für ein Präparat gleich. - Durch sie kann das Alter von Proben bestimmt werden (z. B. mit der C14-Methode). - Typische Diagramme haben dies Form: - Spontaner Kernzerfall: Ohne Einfluss von außen verlässt ein Teilchen (Proton, Neutron, Elektron oder Alphateilchen) den Kern. - Künstliche Kernspaltung: Ein Kern wird mit Teilchen beschossen (meist Neutronen), nimmt eines davon kurzzeitig auf (angeregter Zustand) und zerfällt dann in mehrere Bruchstücke. - Kernfusion: Mehrere Atomkerne verschmelzen zu einem einzelnen Atomkern. - Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Masse seiner Bestandteile. Diese Differenz heißt Massendefekt Δm. - Dem Massendefekt Δm entspricht ein bestimmte Energie (ΔE). Es gilt die Formel von Albert Einstein: c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit: 3,00 10 8 - Die dem Massendefekt entsprechende Energie Atomkerns verbleibt im Atomkern und sorgt für den Zusammenhalt des Kerns. Man nennt sie deshalb auch Bindungsenergie.
Strahlenschutz Berechnung von konstanter Geschwindigkeit und konstanter Beschleunigung Gleichförmige Bewegung mit Bewegungsfunktionen Schutzmaßnahmen: - Abstand halten - Abschirmung - Aufnahme in den Körper vermeiden - Aufenthaltsdauer verkürzen - Aktivität gering halten (falls möglich) - Berechnung einer konstanten Geschwindigkeit: in der Einheit, wobei die Strecke in der Zeit zurückgelegt wird. - Berechnung einer konstanten Beschleunigung: in der Einheit, wobei die Geschwindigkeit um geändert wurde. in der Zeit - kann oft auch mit berechnet werden - Eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (und damit Beschleunigung 0) heißt gleichförmige Bewegung. - Sie hat die Bewegungsfunktionen: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung mit Bewegungsfunktionen - Eine Bewegung mit konstanter Beschleunigung heißt gleichmäßig beschleunigte Bewegung. - Bewegungsfunktionen aus der Ruhelage:, Fällt ein Körper (ohne Reibung) ohne Anfangsgeschwindigkeit, so beschreiben seinen Fall die Bewegungsgleichungen: Der freie Fall Dabei ist Erde: die Fallbeschleunigung der auf der