Überblick Physik- kurz vor dem Abi

Teil III: Induktion - EM-Wellen

Erstellt von J. RudolfÜberarbeitet von H.Brehm

Inhalt Induktion Wechselstrom Elektromagnetische Schwingungen Elektromagnetische Wellen

Induktion (1) Faradays Induktionsgesetz

magnetischer Fluss = B As

„Feldlinien-Dichte“ B wichtig: senkrechte Fläche!!! AS

Induktion durch Flächen-Änderung Ursache: Lorentz-Kraft Experiment: Leiter auf Schienen ...

„Abkürzung“: Uind = n B d vs

Experiment: Leiter dreht sich „Abkürzung“: Uind = n B A cos(t)

)( ssInd ABABnnU

Induktion (2) Induktion durch B-Feld-Änderung

Experiment: große Spule in kleiner Spule In großer Spule Strom verändern B = 0

. n/l . Ierr

Ursache: Elektrisches Wirbelfeld linke Hand-Regel Experiment: elektrodenlose Ringentladung

stark veränderliches B-Feld Elektronen auf Kreisbahn beschleunigt Leuchten!

)( ssInd ABABnnU

Induktion (3) Lenzsches Gesetz (= Vorzeichen)

„Induktionsspannung ist so gepolt:“ Wenn ein Induktionsstrom fließt, dann wirkt er seiner Ursache entgegen Bsp.: Strom wirkt B-Feld Abnahme

entgegen Techn. Anwendung: Wirbelstrombremse

)( ssInd ABABnnU

Induktion (4) Selbstinduktion

Experiment „Verspätetes Lämpchen“ Lämpchen bei der Spule leuchtet erst

mit Verspätung auf Durch Einschaltvorgang wird in Spule

UInd erzeugt, die den Anstieg abbremst

UInd ~ I´ („I Punkt“) L ... ILU Ind IAABnUln

Ind )(

2

0

Einschaltvorgang an Spule Spule - Einschalten

Ansatz: I(t) =(U1+Uind)/R mit Uind=-L*I´ Beschreiben - erklären:

Strom Spannungsverlauf

Aus I(t)-Diagramm R = U1 / I L: über Tangente bei t=0

Ausschaltvorgang an Spulesiehe Schaltplan mit Lämpchen

Spule - Ausschalten Ansatz: I(t)=Uind/R mit Uind=-L*I´ Beschreiben - erklären:

Strom Spannungsverlauf

Aus I(t)-Diagramm R = U1 / I(0) L: über Tangente bei t=0

Energien Energie in Spule

W(t) = 0.5 L I²(t) Energie steckt im B-Feld Damit wird z. B. beim Ausschalten das

Lämpchen weiter betrieben Energie im Kondensator

W(t) = 0.5 C U²(t) Energie steckt im E-Feld

Wechselstrom (1) Erzeugung

Durch rotierende Spule Û = n B A (über Induktionsgesetz) U(t)= Û*sin(t)

Darstellung Zeigerdiagramm Mit Amplitude Û und Phase t

Wechselstrom (2) Effektivwerte (immer im R-Kreis)

Gleichstromkreis bei gleicher mittlerer Leistung

Bei Sinus/Kosinus-Spannungen: Ueff=Û/2 Ieff=Î/2

Wechselstrom (3) R-Kreis: UR(t) = R I(t)

Strom und Spannung in Phase Ohmscher Widerstand: R = ÛR/ Î

C-Kreis: UC(t) = Q(t) / C Strom vor Spannung (erklären!!) kapazitiver Blind-Widerstand: XC = ÛC/ Î = 1/(C) Hochpass

L-Kreis: UL(t) = -L I´(t) Strom nach Spannung (erklären!!) induktiver Blind-Widerstand: XL = ÛL/ Î = L Tiefpass

Merkregel Beim Kondensator eilt der Strom

vor, bei Induktivitäten tut es sich verspäten.

Beim Ohmschen Widerstand ist Strom und Spannung in Phase

Wechselstrom (4)nicht Stoff der schriftlichen Prüfung!

RL-Kreis / RC-Kreis / RCL-Kreis (in Reihe) Ansatz: Ugesamt(t) = UR(t) + UC(t) + UL(t) Zeigerdiagramm Z und Schein-Widerstand Z = (R²+(XL-XC)²) Stromamplitude: Î = Ûgesamt / Z Phase von U(t) zu I(t): tan() = (XL-XC)/R Teilspannungen

Am Widerstand: ÛR = R Î (in Phase mit I) Am Kondensator: ÛC= XC Î (/2 nach I) An der idealen Spule: ÛL = XL Î (/2 vor I) An der realen Spule: ÛRL = (R²+XL²) Î

Phase URL(t) zu I(t): tan(RL) = XL/R

XC

ÛC

XL ÛL R

ÛR

Î

ZÛgesamt

EM-Schwingungen (1) (R)LC-Kreis: parallel

(1): Aufladen von C mit U0 auf Q0=CU0

(2): Entladen von C über L (DGL) Spannungsansatz: UC = UL wenn R=0 DGL: Q‘‘=-(1/(LC))* Q

vgl mit s‘‘=-(D/m)*s Lösung für Q(t): Sinus-Schwingung mit = 1/(LC) Aus Randbedingungen: Amplitude und Sinus oder Kosinus I(t) = Q‘(t) und UC(t) = Q(t)/C IL(t)=-LI´(t)

Erklären!! Entladen Strom steigt Spule: Uind gegen Stromanstieg B-Feld in Spule speichert W Q = 0: Strom sinkt Spule: Uind gegen Stromabfall Kondensator lädt sich auf ...

Vgl. LC-Kreis - Federpendel

Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen

Auslenkung s Spannung U (Ladung Q =C*U)Geschwindigkeit v Stromstärke I

Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen

EM-Schwingungen (2) Meißner-Schaltung (Skizzieren – Erklären!!)

für ungedämpfte Schwingung Ziel: periodische Energiezufuhr mit = 1/(LC) Schwingkreisspule – zweite Spule:

Steuern Transistor(als Schalter) Leitet gerade nicht: UBE=0,6V (1) positiv (3) positiv UBE Transistor leitet Kondensator lädt

sich wieder auf Energiezufuhr (1) negativ (3) negativ ... Transistor sperrt ...

EM-Schwingungen (3) Hochfrequente Schwingungen

= 1/(LC) L verringern: n C verringern: A und d

... Hertzscher Dipol: Stab der Länge l Im Wechsel an den Spitzen + / - Pol: E-Feld Im Wechsel: Strom nach unten / oben: B-Feld Eigenschwingungen: l = k /2

EM- Welle (1) Hertzscher Dipol

Felder lösen sich: Veränderliches E-Feld (analog Strom): erzeugt B-Feld Veränderliches B-Feld: erzeugt E-Feld (Wirbelfeld ohne Ladung) ...

c = f Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum:

c0 = 1/(00) 3,0 . 108 m/s Nachweis: z. B. mit stehender Welle (durch Reflexion)

Im Medium: cr = c0/n mit n = r (r in unseren Fällen 1)

Nachweis der Welleneigenschaft: Reflexion / Interferenz / Stehende Wellen

EM- Welle (2) Welleneigenschaften

Schwingungen von E- und B-Feldern („EM“) E und B in Phase Auch im Vakuum: ohne Wellenträger

Transversal: E c und B c und E B Linear polarisiert (E || Dipol)

Nachweis: Empfangsdiode drehen – Lämpchen erlischt Elektromagnetische Wellen (auch Licht) sind linear

polarisierte Transversalwellen (bei Licht kann man Polarisationsfolien verwenden)

EM- Welle (3) Stehende Welle

z. B. ein Sender und Reflexion an Metallplatte an Platte: E-Knoten und B-Bauch Empfänger bewegt sich zwischen Sender und

Platte Empfangsdiode: reagiert auf E-Feld Abwechselnd Minima (Knoten) und Maxima (Bäuche) Abstand zweier Knoten: /2

EM- Welle (4) Huygens-Prinzip

„Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer Elementarwelle“

Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Herleitung mit Huygens (!!)

Brechungsgesetz: Brechung zum Lot hin beim optisch dichteren Medium sin()/sin() = n Herleitung mit Huygens (!!) Totalreflexion: = 90° sin (grenz) = 1/n

Ende von Teil III

Gleich geht‘s weiter mit Teil IV:

Optik und Quantenphysik