Überblick Physik - kurz vor dem Abi

Präsentation zum Thema: "Überblick Physik - kurz vor dem Abi"—  Präsentation transkript:

1 Überblick Physik - kurz vor dem Abi
Teil III: Induktion - EM-Wellen Erstellt von J. Rudolf Überarbeitet von H.Brehm

2 Inhalt Induktion Wechselstrom Elektromagnetische Schwingungen
Elektromagnetische Wellen

3 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)

4 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!

5 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

6 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 ...

7 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

8 Ausschaltvorgang an Spule siehe 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

9 Energien Energie in Spule Energie im Kondensator 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

10 Wechselstrom (1) Erzeugung Darstellung Durch rotierende Spule
Û = n B A  (über Induktionsgesetz) U(t)= Û*sin(t) Darstellung Zeigerdiagramm Mit Amplitude Û und Phase t

11 Wechselstrom (2) Effektivwerte (immer im R-Kreis)
Gleichstromkreis bei gleicher mittlerer Leistung Bei Sinus/Kosinus-Spannungen: Ueff=Û/ Ieff=Î/2

12 Wechselstrom (3) R-Kreis: UR(t) = R I(t) C-Kreis: UC(t) = Q(t) / C
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

13 Merkregel Beim Kondensator eilt der Strom vor, bei Induktivitäten tut es sich verspäten. Beim Ohmschen Widerstand ist Strom und Spannung in Phase

14 Wechselstrom (4) nicht Stoff der schriftlichen Prüfung!
Z Ûgesamt XL ÛL R ÛR  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 Î XCÛC

15 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

16 Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen
Auslenkung s Spannung U (Ladung Q =C*U) Geschwindigkeit v Stromstärke I

17 Analogie: Mechanische Schwingungen und elektromagnetische Schwingungen

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20 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 ...

21 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

22 EM- Welle (1) Hertzscher Dipol Felder lösen sich: c =  f
Veränderliches E-Feld (analog Strom): erzeugt B-Feld Veränderliches B-Feld: erzeugt E-Feld (Wirbelfeld ohne Ladung) ... c =  f Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum: c0 = 1/(00)  3, 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

23 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)

24 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

25 EM- Welle (4) Huygens-Prinzip Reflexionsgesetz: Brechungsgesetz:
„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 Totalreflexion:  = 90°  sin (grenz) = 1/n

26 Gleich geht‘s weiter mit Teil IV: Optik und Quantenphysik
Ende von Teil III Gleich geht‘s weiter mit Teil IV: Optik und Quantenphysik