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Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

• Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. • Wenn durch eine Spule Strom fließt, wird sie magnetisch. • Je höher die Stromstärke ist und je mehr Windungen die Spule hat, desto stärker

ist das Magnetfeld. • Ein Eisenkern verstärkt die magnetische Wirkung der Spule. Eine stromdurch-

flossene Spule mit einem Eisenkern heißt Elektromagnet.

Die magnetische Wirkung einer Spule hängt von der Stromstärke und der Windungszahl ab.

So kann man die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nachweisen.

Ein Eisenkern verstärkt die magnetische Wirkung.

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Anwendungen des Elektromagneten: Elektromotor und Relais • Gleichstrommotor: Der Anker eines Gleichstrommotors dreht sich wegen der ge-

genseitigen Anziehung bzw. Abstoßung zwischen den Magnetpolen des Ankers und des Feldmagneten. Der Polwender bewirkt eine Umkehr der Stromrichtung und damit der Pole des Ankers.

• Relais: Wenn man den Schalter im Steuerstromkreis schließt, wirkt der Elektro-

magnet und der Kontakt im Arbeitsstromkreis wird geschlossen. � Anwendungsbeispiele: Anlasserrelais und Scheinwerferrelais beim Auto,

Schaltrelais in der Waschmaschine

Relais: Wenn der Kontakt im Steuerstromkreis geschlossen wird, schließt sich auch der Kontakt im Arbeitsstromkreis.

Die wichtigsten Bauteile des Elektromotors

Ein zerlegter Elektromotor und ein Relais

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Die elektromagnetische Induktion

• Wenn sich das Magnetfeld in einer Spule ändert, entsteht Spannung – so genannte Induktionsspannung.

• Die Induktionsspannung ist umso größer � je stärker der Magnet ist, � je größer die Windungszahl der Spule ist, � je schneller sich der Magnet bewegt. � Anwendungsbeispiele: Der Fahrraddynamo und die Generatoren in den

Kraftwerken erzeugen Induktionsspannung (Wechselspannung).

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Kraftwerke Der größte Teil der elektrischen Energie, die wir brauchen, wird in Wasserkraftwer-ken und Wärmekraftwerken erzeugt. • In Wasserkraftwerken treibt die Energie des fließenden Wassers eine Turbine an,

in Wärmekraftwerken die Energie des heißen Wasserdampfs. Die Turbine treibt den Generator an, dieser erzeugt Spannung durch Induktion.

• Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke. Die Energie zur Erzeugung des Wasser-

dampfs wird aus der Kernspaltung gewonnen.

Das Laufkraftwerk Ybbs- Persenbeug (NÖ): Hier werden Kaplanturbinen eingesetzt.

Der Stausee des Speicherkraftwerkes Kaprun: Hier werden Peltonturbinen eingesetzt.

Der Aufbau eines Wärme-kraftwerks

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Der Transport elektrischer Energie Es gibt zwei Möglichkeiten, die gleiche Menge elektrischer Energie zu transportieren: mit „hoher“ Spannung, jedoch „geringer“ Stromstärke und umgekehrt.

Der Weg der elektrischen Energie

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Der Transformator • Ein Transformator (Trafo) besteht aus zwei voneinander unabhängigen Spulen,

die durch einen geschlossenen Eisenkern verbunden sind. • Die beiden Spulen heißen Primärspule und Sekundärspule. Die Primärspule wird

an eine Wechselstromquelle angeschlossen. In der Sekundärspule wird Span-nung durch Induktion erzeugt.

• Die Spannung an der Sekundärspule ist geringer (höher) als die Spannung an der

Primärspule, wenn die Sekundärspule weniger (mehr) Windungen hat als die Pri-märspule.

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Elektroschutz

• Sicherungen (Leitungsschutzschalter) unterbrechen den Stromkreis bei Kurz-

schluss und Überlastung. • Der FI-Schalter (Fehlerstromschutzschalter) unterbricht den Stromkreis bei Kör-

perschluss (Gehäuseschluss).

Das Elektrogerät ist in Ordnung. Der FI-Schalter unterbricht den Stromkreis nicht.

Elektrogeräte mit Metallgehäusen müssen mit Schutzkontaktsteckern (Schukosteckern) an die Steckdo-se angeschlossen werden.

Der FI-Schalter „merkt“ das Fehlen elektrischen Stroms und unterbricht den Stromkreis.

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Elektronik

• Die Diode lässt den Strom nur in einer Richtung durch.

Schaltzeichen: • Der Kondensator speichert elektrische Energie.

Schaltzeichen:

• Der Transistor wird als elektronischer Schalter und als Verstärker eingesetzt. Die Anschlüsse heißen Basis (B), Emitter (E) und Kollektor (C).

Schaltzeichen:

Diode zum Gleichrichten (oben) und Leuchtdioden

Aufladen (links) und Entladen eines Kondensators

Ein Transistor

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Das Telefon • Im Mikrofon des Telefons werden Schallwellen mithilfe elektromagnetischer

Induktion in Stromschwankungen umgewandelt. Diese werden durch Leitungen zum Empfänger übertragen.

• Die Hörkapsel des Telefons wandelt die Stromschwankungen mithilfe von

Magnetfeldern wieder in Schallschwankungen um.

Hörkapsel (links) und Mikrofon eines Telefons

Mikrofon: Spannungsschwankungen durch Induktion Hörkapsel: Schallschwankungen mithilfe zweier Magnetfelder

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Vom Fernsehen

• Aufnahme: In der Fernsehkamera werden „Lichtbilder“ in elektrische Ladungs-bilder umgewandelt. Die Ladungsbilder sind aus Punkten aufgebaut, die in Zeilen angeordnet sind. Sie werden in elektrische Signale umgewandelt.

• Wiedergabe: Auf dem Bildschirm von Fernsehgeräten mit Bildröhre werden die

übertragenen elektrischen Signale durch eine Leuchtschicht wieder in sichtbare Bilder umgewandelt.

• Farbfernsehempfänger: Drei Elektronenstrahlen werden jeweils auf eine Dreier-

gruppe von kleinen Scheibchen auf dem Bildschirm gelenkt, die dann in den Grundfarben Rot, Grün und Blau aufleuchten. Aus der additiven Farbmischung der Grundfarben entsteht der farbige Bildeindruck.

Das Fernsehbild wird zeilenweise aus Halbbildern aufgebaut.

Die Lochmaske lenkt die drei Elek-tronenstrahlen auf ein Farbentripel aus den drei Grundfarben.

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Lichtausbreitung und Schatten • Licht breitet sich geradlinig aus. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ca. 300 000

km/s. • Die Ursache für die Schattenbildung ist die geradlinige Ausbreitung des Lichts. • Mondfinsternis: Der Schatten der Erde fällt auf den Mond. • Sonnenfinsternis: Der Schatten des Monds fällt auf die Erde.

Verschwommene Schatten aus Kern- und Halbschatten

Ein scharf begrenztes Kernschattenbild

Entstehung der Sonnenfinsternis

Entstehung der Mondfinsternis

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Reflexion des Lichts und Spiegel • Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß. • Ebener Spiegel: Das Bild des ebenen Spiegels ist scheinbar. Gegenstand und

Bild sind gleich groß. Die Gegenstandsweite ist gleich der Bildweite. • Hohlspiegel (Sammelspiegel):

Parallel zur optischen Achse einfallende Lichtstrahlen werden durch den Brenn-punkt des Hohlspiegels reflektiert. Strahlen, die vom Brennpunkt aus auf den Hohlspiegel fallen, werden parallel zur optischen Achse reflektiert.

• Bilder des Hohlspiegels:

� Der Gegenstand ist innerhalb der Brennweit: Das Bild ist scheinbar, aufrecht und vergrößert.

� Der Gegenstand ist außerhalb der Brennweite: Das Bild ist wirklich, umgekehrt und vergrößert oder verkleinert (je nach Entfernung des Gegenstands vom Brennpunkt).

• Wölbspiegel (Zerstreuungsspiegel):

Parallel einfallende Lichtstrahlen werden zerstreut. Die Bilder des Wölbspiegels sind scheinbar, aufrecht und verkleinert.

So entstehen die scheinbaren Bilder des Hohlspiegels.

So entstehen die wirklichen Bilder des Hohlspiegels.

So entstehen die scheinba-ren Bilder des Wölbspiegels.

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Lichtbrechung – Totalreflexion

• Lichtbrechung: Schräg einfallende Lichtstrahlen werden beim Übergang in ein op-

tisch dichteres Medium zum Lot, beim Übergang in ein optisch dünneres Medium vom Lot gebrochen.

• Totalreflexion: Lichtstrahlen werden ab einem bestimmten Einfallswinkel an der

Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium total reflektiert. � Anwendung: Lichtwellenleiter zur Übertragung von Telefongesprächen und in

medizinischen Instrumenten

Lichtbrechung zum Lot (links) und vom Lot

Totalreflexion an der Grenzfläche Wasser – Luft

Ein Lichtwellenleiter

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Linsen • Sammellinsen sind in der Mitte dicker als am Rand. Sie brechen parallel zur

optischen Achse einfallende Lichtstrahlen zu einem Punkt, dem Brennpunkt. • Bilder der Sammellinse:

� Der Gegenstand ist innerhalb der Brennweit: Das Bild ist scheinbar, aufrecht und vergrößert.

� Der Gegenstand ist außerhalb der Brennweite: Das Bild ist wirklich, umgekehrt und verkleinert oder vergrößert (je nach Entfernung des Gegenstands vom Brennpunkt).

• Zerstreuungslinsen sind in der Mitte dünner als am Rand. Parallel einfallende

Lichtstrahlen werden zerstreut. Die Bilder der Zerstreuungslinse sind scheinbar, aufrecht und verkleinert.

So entstehen die wirklichen Bilder der Sammellinse.

So entstehen die schein-baren Bilder der Sammel-linse, wenn du sie als Lu-pe verwendest.

So entstehen die scheinbaren Bilder der Zerstreuungslinse.

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Das Auge

• Hornhaut, Linse und Glaskörper des Auges wirken als Sammellinse. Auf der Netz-

haut entsteht ein verkleinertes, umgekehrtes, wirkliches Bild des betrachteten Ge-genstands.

• Akkomodation: Die Augenlinse passt ihre Krümmung der Entfernung des betrach-

teten Gegenstands an. Je näher die betrachteten Gegenstände sind, desto stär-ker krümmt sie sich.

• Kurzsichtigkeit: Korrektur durch Zerstreuungslinsen • Weitsichtigkeit: Korrektur durch Sammellinsen • Dioptrien: Das ist der Kehrwert der Brennweite (gemessen in Metern) der Linse. • Nachbild: Auf der Netzhaut bleibt das Bild noch etwa 1/10 Sekunde erhalten.

Ohne diese Eigenschaft unserer Augen könnten wir weder fernsehen noch Kinofil-me ansehen.

Auf der Netzhaut entsteht ein umgekehrtes, verkleinertes, wirkliches Bild.

Beim Kurzsichtigen entsteht das scharfe Bild vor der Netz-haut.

Beim Weitsichtigen entsteht das scharfe Bild hinter der Netzhaut.

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Die Spektralfarben

• Weißes Licht besteht aus den Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett. Die-

se Farben heißen Spektralfarben. • Neben dem sichtbaren Licht ist im Sonnenlicht auch noch Infrarotstrahlung (Wär-

mestrahlung) und Ultraviolettstrahlung enthalten. • Ein Regenbogen entsteht dadurch, dass die Regentropfen das weiße Licht der

Sonne in die Spektralfarben zerlegen.

Ein Glasprisma zerlegt das weiße Licht in die Spektralfarben.

Einen Regenbogen kann man nur beobachten, wenn man mit dem Rücken zur Sonne steht.

So kann man die Entstehung eines Regenbogens erklären.

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Die beschleunigte Bewegung

• Beschleunigung (a) ist die Geschwindigkeits-änderung pro Sekunde. Die Maßeinheit für die Beschleunigung ist 1 m/s2.

• Gleichförmige Beschleunigung: Die Geschwin-digkeit des Körpers nimmt in jeder Sekunde um denselben Betrag zu.

• Formel zur Berechnung des Weges bei der gleichförmig beschleunigten Bewegung:

s: Weg a: Beschleunigung t: Zeit

• Wenn auf einen Körper die 2 (3, 4, …)-fache

Kraft wirkt, ist die Beschleunigung 2 (3, 4, ...)-mal so groß.

• Wenn auf einen Körper mit der 2 (3, 4, …)-fachen Masse die 2 (3, 4, …)-fache Kraft wirkt, bleibt die Beschleunigung gleich.

• Formel, die den Zusammenhang zwischen kraft, Masse und Beschleunigung

ausdrückt: F: Kraft m: Masse a: Beschleunigung

Weg-Zeitdiagramm einer gleich-mäßig beschleunigten Bewegung

2*

2t

as =

amF *=

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Die Gravitation Die gegenseitige Anziehungskraft zwischen zwei Massen heißt Massenanziehungskraft oder Gravi-tationskraft (Gravitation). • Die Gravitationskraft hängt ab von der Masse

der beiden Körper und ihrem gegenseitigen Abstand: � Je größer die Masse der beiden Körper ist,

desto größer ist die Gravitationskraft. � Wenn die Entfernung zwischen den beiden

Körpern auf den 2 (3,4, …)-fachen Betrag zunimmt, sinkt die Gravitationskraft auf ¼ (1/9, 1/16, …).

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Die Kreisbewegung

• Wenn sich ein Körper auf einer gekrümmten Bahn bewegt, dann wirkt auf ihn eine

Querkraft. • Wenn sich ein Körper auf einer Kreisbahn bewegt, wirkt auf ihn eine Kraft, die auf

den Mittelpunkt eines Kreises gerichtet ist. Diese Kraft heißt Zentripetalkraft. • Satelliten werden von der Gravitationskraft auf der Umlaufbahn gehalten. • Aus den Keplerschen Gesetzen:

� Die Planeten bewegen sich in ellipsenförmigen Bahnen um die Sonne. Die Ellipsenbahnen haben einen Brennpunkt gemeinsam. In diesem gemeinsamen Brennpunkt steht die Sonne.

� Die Verbindungslinie von der Sonne zu einem Planeten, der so genannte Leitstrahl, überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächeninhalte.

Viele Hammerschläge zwingen die Kugel auf eine Bahn, die einer Kurve ähnlich ist.

Der Leitstrahl von der Sonne zur Erde überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächeninhalte.

Der Steinwurf des Riesen: Wenn die Abwurfgeschwindig-keit ausreichend groß ist, fällt der Stein um die Erde

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Die radioaktive Strahlung – Halbwertszeit und Äquivalentdosis • Radioaktive Strahlen werden von Atomkernen ausgesendet.

� α-Strahlen sind Teilchenströme aus Heliumatomkernen. � β-Strahlen sind Teilchenströme von Elektronen. � γ-Strahlen sind energiereiche elektromagnetische Wellen. � α-Zerfall und β-Zerfall haben eine Elementumwandlung zur Folge.

• Halbwertszeit: Die Zeit, nach der die Hälfte einer bestimmten Anzahl von radioak-

tiven Atomkernen zerfallen ist, heißt Halbwertszeit • Äquivalentdosis: Die biologische Wirkung von Strahlung wird durch die so ge-

nannte Äquivalentdosis ausgedrückt. Die Maßeinheit für die Äquivalentdosis ist ein Sievert (1 Sv): 1 Sievert (1 Sv) = 1_000 Millisievert (1 000 mSV)

Modell: Schädigung von Zellen durch α- und β-Strahlung

Halbwertszeit am Beispiel Radium

Modell zur α-Strahlung am Beispiel Radium (Ra)

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Isotope • Atome mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl bezeichnet

man als Isotope. • Natürliche und künstliche radioaktive Isotope, so genannte Radioisotope, werden

in der Medizin, Technik, Landwirtschaft usw. häufig eingesetzt.

Der Atomkern des „normalen“ Wasserstoffs

Der Atomkern des schweren Wasserstoffs heißt Deuteron.

Der Atomkern des überschwe-ren Wasserstoffs heißt Triton.

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Kernspaltung und Kettenreaktion – Kernverschmelzung • Kernspaltung: Der Atomkern von U-235 kann durch Aufnahme eines Neutrons

gespalten werden. Die Spaltprodukte haben hohe Bewegungsenergie und sind radioaktiv.

• Kettenreaktion: Die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen können weitere Atomkerne spalten. Die Zahl der Neutronen und der Spaltvorgänge wächst lawi-nenartig an. Dieser Vorgang heißt Kettenreaktion.

• Kernverschmelzung: „Leichte“ Atomkerne können zu „schweren“ Atomkernen verschmelzen. Ursache für die Strahlungsenergie der Sonne ist die Energie, die bei der Kernver-schmelzung von Wasserstoff-Atomkernen zu Helium-Atomkernen frei wird.