Physik 2. Elektrizität / Magnetismus. · Anwendung Elektrostatik (1/2) •Statische Aufladung in Technik wichtig •Elektrophoresekammer •Reinigungstechnik •Drucker, Kopierer

| 03.2019 Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

Physik 2. Elektrizität / Magnetismus.

SS 19 | 2. Sem. | B.Sc. CHDiese Präsentation ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell –Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz

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Quelle: Wikipedia, Theo Schacht

Themen

• Elektrostatik• Elektrodynamik• Magnetismus• Elektromagnetismus


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Elektrostatik


5

Phänomen statische Aufladung(SP)• Reibung bestimmter (Kunst-)

Stoffe erzeugt statische Aufladung• Haare, Staub, kleine

Papierschnitzel (…) werden angezogen

• Pullis (und andere Kleidungsstücke) knistern beim Ausziehen

• man erhält einen Schlag• Eigenschaft „antistatisch“ ist ein

Verkaufsargument


7

Anwendung Elektrostatik (1/2)

• Statische Aufladung in Technik wichtig• Elektrophoresekammer• Reinigungstechnik• Drucker, Kopierer• Lackierstraßen


8



9

+

–



10

Elektro-Staubabscheider

Quelle: Energiewelten/



11

Lackierstraße

Quelle: Dürr



12

Lackierstraße

Quelle: Dürr

Ursache statischer Aufladung (1/2)

• Erforderliche Modellvorstellung für Atome: Schalenmodell

• punktförmige negative geladene Elektronen umkreisen

• positiv geladene Atomkerne• auf Kugelschalen

(mit unterschiedlichem Abstand zum Kern)• Alle Stoffe haben eine riesige Anzahl von

Ladungsträgern (s. Avogadrozahl)• negative Ladung: Elektronen• positive Ladung: Atomkerne

• Ladung wird in Coulomb [C] gemessen• Coulomb, Charles de, 1736 - 1806• Ladung eines Elektrons: q = 1,602·10-19C

• Unter Normalbedingungen neutralisieren sie sich

• Gesamtladung Q = 0 C


13

+

Ursache statischer Aufladung (2/2)

• Bei Nichtleitern entsteht durch Reibung zu geringem Teil Ladungstrennung• Elektronen werden von den Atomkernen getrennt• auf den reibenden Gegenstand übertragen und entfernt

• Körper ist entweder • positiv geladen (Elektronen“mangel“)• negativ geladen (Elektronenüberschuss)

• Zwei geladene Körper • stoßen sich bei gleicher Ladung ab (+/+; -/-)• ziehen sich bei ungleicher Ladung an (+/-)

• Coulomb-Kraft wirkt| 03.2019 Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

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Coulomb-Kraft (SP)


16

1 22

0

1

2

Coulomb-Kraft

14

mit Betrag der Ladung des Körpers 1 in C

Betrag der Ladung des Körpers 2 in C Abstand der Körper in m

q qF

r

q

qr

Beispiel Coulomb-Kraft (1/2) (SP)


18

• Warum ist Wasser ein polares Lösungsmittel?

• Sauerstoffatom bindet Elektronen der Wasserstoffatome stärker an sich

• Wasserstoffatome leicht (!) positiv geladen

• Sauerstoffatom leicht (!) negativ geladen

Wasserstoffbrückenbildung (Chemie, Biochemie!)

• Coulomb-Kraft verstärkt Oberflächenspannung bei Wasser

• Aber: Keine Ladungstrennung, sondern Ladungsverschiebung!

Beispiel Coulomb-Kraft (2/2)


19

Aufgabe Coulomb-Kraft

• Wie groß ist die Coulomb-Kraft zwischen einem Wasserstoff-Atomkern (q1 = 1,602·10-19 C) und einem Elektron (q2= –1,602·10-19 C) bei einer Entfernung von• 0,529 m?• 52,9 pm (Elektron umkreist Atomkern)


20

Funktion Elektrophoresekammer


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Blitz & Donner

• Durch die Ladungstrennung entsteht eine elektrische Potenzialdifferenz oder Spannung(-sdifferenz), gemessen in Volt (Volta, Alessandro, 1745 – 1827)

• Die Spannung wird größer, je mehr Ladungen getrennt werden

• Bei genügend großer Spannung kommt es zur Entladung

• Je kleiner der Abstand desto geringer die erforderliche Überschlagsspannung


22

Quelle (2): HALLIDAY

Vulkanausbruch


23

Quelle (2): HALLIDAY

Was passiert bei einem Überschlag?

• Isolation ist für die Spannung nicht mehr ausreichend

• Ladungstrennung wird (teilweise) aufgehoben• Ladungsträger strömen von einem Körper zum

anderen• Ladungsträgerstrom → Elektrodynamik


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Überschlag

• Überschläge können auch sinnvoll sein• Zündkerze• Elektroschweißgerät• Piezo-Zündung

(Gasherd)• … oder auch nicht

• Kurzschlüsse• Spannungsüberschläge

• Zündanlagen• Hochspannungsleitungen


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Schutz vor Überschlägen

• gute Isolation• Faraday‘scher Käfig


26

Quelle: HALLIDAY

Elektrodynamik


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Elektrodynamik

• Unterschied zur Elektrostatik• Ladungsträger müssen sich bewegen können

• Leiter bzw. Halbleiter (in elektronischen Bauelementen) erforderlich

• es kann ein (Ladungsträger-)Strom fließen (Ionen, Elektronen, „Löcher“)

• Spannungsquelle erzeugt• elektrische Spannung(-sdifferenz)• Stromfluss im Leiter


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Stromfluss

• Wie viele Ladungsträger passieren pro Sekunde den Leiter?

• 6,24·1018 Ladungen/s = 1 C/s = 1 A (Ampère, André 1775 – 1836)

• Fast immer sind Elektronen die Ladungsträger• physikalischer Stromfluss von

„-“ nach „+“• technischer Stromfluss von

„+“ nach „-“


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Hier zählen!

elektrische Spannungen

• unterscheiden, wie sich die elektrische Spannung zeitlich verändert• Gleichspannung• Wechselspannung

• einphasig• dreiphasig

• (Rechteck-, Dreieckspannung)


30

Gleichspannung

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5Zeit in s

Span

nung

in V


31

Wechselspannung, einphasig

Netzspannung: U0 = 325V; f = 50Hz; U(t) = 325V sin(2ꞏ50Hzꞏt)Effektivspannung (= gemessene Spannung): 230V~

-400

-200

0

200

400

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Zeit in s

Span

nung

U(t)

in V

1/50 s


32

Wechselspannung, dreiphasig


33

-400-300-200-100

0100200300400

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Zeit in s

Aus

lenk

ung

in c

m

P hase 1 P hase 2 P hase 3

120° 120°

Steckdosen, ein- und dreiphasig


34

400 V Steckdose230 V Steckdose

Ohm‘scher Widerstand

Integriertes Praktikum, Versuch „WID“• Idealfall: Nur Widerstände haben einen

(definierten) Widerstand• Realität: Fast alle Bauteile (auch Kabel!) haben

einen Widerstand• Ausnahme: Supraleiter • Formelzeichen: R• Maßeinheit: Ohm


35

Ohm‘sches Gesetz (SP)

• Georg Simon OHM (1787 - 1854)• Widerstandsberechnung


37

Allgemein: in Eselsbrücke:

1parallele Widerstände:

...

serielle Widerstände:

ges

ges

ges

URI

R

R

R

Elektrische Leistung und Arbeit (SP)

• Aus der Mechanik-Vorlesung bekannt

• Definition der elektrischen Arbeit


39

Kapazität (Kondensator)


40

Kapazität

• Kapazität besteht aus• zwei „Platten“• Isolation zwischen ihnen

• Spannungsquelle „lädt“ Kapazität auf• Elektronenüberschuss auf

der negativen Platte• Elektronenmangel auf der

positiven Platte• Entladung über Widerstand• IP2, Versuch RCL| 03.2019 Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

41

+ _

+ _

+ _

U

U


Anwendung Elektrodynamik (2/2)(SP)

43

Quelle: Data Input GmbH

Elektrotechnische Wirkung einer ZelleKörperfettmessung (BIA-Methode)

• Zellwände = Kapazität• Zellflüssigkeit und intracelluläre Flüssigkeit =

Ohmscher Widerstand• Verwendung einer Wechselspannung mit

verschiedenen Frequenzen → IP2, Versuch RCL

Kapazität eines Kondensators(SP)

• Betrachte Plattenkondensator• Kapazität C im Wesentlichen abhängig von den

geometrischen Größen• Plattenabstand d• Fläche der Platten A


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Wie viel Ladung ist auf einem Kondensator? (SP)

• Coulombkraft: Elektronen stoßen sich ab, halten möglichst großen Abstand

• Wie bekommt man viele Ladungen auf die Platte?• Große Kapazität C, die möglichst vielen Ladungen

Platz bietet• Hohe Spannung U, die mehr Elektronen auf die

negative Platte „drückt“ und von der positiven Platte „saugt“


47


Laden eines Kondensators (SP)

212aufgenommene elektrische Energie: KapE C U

49

02468

10

0 2 4 6 8 10Span

nung

U(t)

[V]

Zeit t [s]

Laden


Wichtige Zeitpunkte in der Ladekurve

1 12 2

12

0 0

1 1 0 0

ln(2)1

2 0 02

53 3 0 0

4 4 0

Technisch:

0 ( ) 0

( ) 1 0,63

(ln(2) ) ( ) 1

: Halbwertszeit

5 ( ) 1

( ) lim 1t

t

t s U t V

t U t U e U

t t U t U e U

t

t U t U e U

t U t U e

0U

50


Zeichnen Sie und t½ ein

02468

10

0 2 4 6 8 10

Span

nung

U(t)

[V]

Zeit t [s]

Laden

51


Entladen eines Kondensators (SP)

212abgegebene elektrische Energie: KapE C U

53

02468

10

0 2 4 6 8 10Span

nung

U(t)

[V]

Zeit t [s]

Entladen


Wichtige Zeitpunkte in der Entladekurve

0 0 00 ( )t s U t U

1 1 0 0( ) 0,37t U t U e U

1 12 2

ln(2)1

2 0 02(ln(2) ) ( )t t U t U e U

53 3 0Technisch: 5 ( ) 0Vt U t U e

4 4 0( ) lim 0Vt

tt U t U e

54

Magnetismus


55

Anwendungen

• Induktionskochfelder• Transformatoren• Elektromechanik• Elektronik

(z.B. Metalldetektoren)


56

Quelle: http://www.tagderkueche.de/images/2005/presse/7.jpg


Besteckseparation in der Mensa57

Magnetismus

• verschiedene Arten von Magneten • dauerhaft magnetische Stoffe (Permanentmagnete)• stromdurchflossene Leiter → Elektromagnetismus

• Ein Magnet übt durch das ihn umgebene Magnetfeld eine Kraft aus auf • magnetisierbare Stoffe• elektrisch geladene Teilchen


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Modellvorstellung Magnetismus

• Magnete bestehen aus vielen Elementarmagneten• Elementarmagnete besitzen immer

• Nordpol• Südpol• es gibt keine einzelnen Nord- oder Südpole

• je besser die Elementarmagnete ausgerichtet sind, desto stärker ist das Magnetfeld → Kraft des magnetischen Feldes (magnetische Kraft)


59

S NS N

S N

S N

S N

S N

S N

S N

S N

S N

S N

S NS N

Magnetfeldlinien

• Magnetisierbare Körper (Eisenfeilspäne) und andere Magnete richten sich anhand der Magnetfeldlinien aus

• Je größer die Kraft des Magneten, desto dichter sind seine Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld B


60

Quelle: Wikipedia, Geek3 Quelle: Großmann nach Wikipedia, Meyer

S N

Erdmagnetfeld

• Erdmagnetfeld lenkt geladene Partikel, die von der Sonne kommen, zu den Polen ab (Polarlichter) → magnetische Kraft

• Ohne Erdmagnetfeld kein Leben möglich, Verhältnisse wie auf dem Mars

• Kraft des magnetischen Feldes 𝐹 richtet Kompassnadel parallel zu den magnetischen Feldlinien aus


61

Quelle: Wikipedia, NASA


Schweben von Lasten 62


Reibungsfreie Lagerung von Achsen

63

Elektromagnetismus


64

Stromdurchflossener Leiter

• Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld 𝐵

• Die Feldlinien verlaufen zylindrisch um den Leiter

• Die Richtung des Magnetfelds hängt ab von• der Stromflussrichtung• der Polarität der Ladungsträger

• „Rechte-Faust-Regel“• Zu Spulen aufgewickelter

Draht vervielfacht das Magnetfeld 𝐵


65

I

𝐵

Elektromagnetismus

• Angewendet zur Herstellung von• Elektromagneten• Spulen

• Beide bestehen im Wesentlichen aus• aufgewickeltem Draht

(Spule)• Eisenkern (optional)

• Nutzt den Zusammenhang zwischen• Elektrizität• Magnetismus


66

Quelle: HALLIDAY

Elektromagnetismus

Elektromagnetismus, qualitativ

• Leiter: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld z.B. Elektromotor• Induktivität: Änderungen des Stromflusses in einer Spule

verändert die Stärke des Magnetfelds• Änderungen der Stärke des Magnetfelds induzieren in einem

vom Magnetfeld eingeschlossenen Leiter (also auch in der Spule selbst!) eine Spannung (Spannung der Selbstinduktion, Induktionsspannung)

• Je stärker die Änderung, desto größer ist die Induktionsspannung (→ Versuch Leuchtstofflampe, HT-Praktikum)

• Induktionsspannungen• Arbeitsprinzip von Transformatoren zum

verlustarmen Umwandeln von Spannungen

• können elektronische Bauteile gefährden


67


Gleichstrommotor, Funktionsprinzip68

Stator

Spannung– +

KommutatorRotor mit Wicklung


Gleichstrommotor, Video69

Quelle: Energiewelten/


Bewegte elektrisch geladene Teilchen im Magnetfeld• Die magnetische Kraft wirkt und verändert die

Flugbahn der Teilchen• Mathematisch:

Magnetische Kraft 𝐹 ist das Vektorprodukt aus Geschwindigkeit 𝑣 und Magnetfeld 𝐵

• Anschaulich: • Die magnetische Kraft entsteht, wenn die Richtungen von

Magnetfeldlinien und Geschwindigkeit der Teilchen nichtparallel sind (optimal senkrecht zueinander stehen)

• Die Kraftrichtung steht senkrecht auf Magnetfeldlinien undGeschwindigkeit(-srichtung) der Teilchen

• Ermittlung der Kraftrichtung über die Rechte-Hand-Regel

70


Magnetische Kraft, Rechte-Hand-Regel

71

2

( )

mit Magnetische Kraft in NLadung des Teilchens in C Geschwindigkeit des Teilchens in m/s

V sMagnetfeld in = Tm

F q v B

Fqv

B

Quelle: Großmann nach Wikipedia/Canarris

Polarlicht

• Magnetische Kraft lenkt Partikel, die von der Sonne kommen, auf Spiralbahnen zu den Polen ab


72

Quelle: Wikipedia, Theo Schacht Quelle: Wiebke Salzmann

Massenspektrometer

Kombination aus• Ionenquelle • Magnetfeld 𝐵• Detektor


73

Massenspektrometer – Ionenquelle

• Probe einbringen• Bestandteile werden ionisiert• Ionen werden durch ein

elektrisches Feld (Coulombkraft) beschleunigt

• Geschwindigkeit der Ionen ist von ihrer Masse abhängig: v(m)

• Große Masse: Langsam• Kleine Masse: Schnell


74

Massenspektrometer – Magnetfeld

• Steht senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit

• Ist überall gleichstark (homogenes Magnetfeld)

• Anwendung der Formel für die Magnetische Kraft ergibt:Die Ablenkung der Ionen variiert mit ihrer Geschwindigkeit 𝑣


75

Ionen mit großer Masse

Ionen mit kleiner Masse

Massenspektrometer – Detektor

• misst Anzahl der auftreffenden Ionen

• Ionen Ladungsträger• Ladungsträger elektrischer Strom• Großer Strom viele Ionen

hoher Peak

• Rückschlüsse auf Zusammensetzung der Probe durch

• Höhe der Peaks• Anordnung der Peaks

• „Fingerprint“ der Substanzen


76

Ionen mit großer Masse

Ionen mit kleiner Masse


Anwendung Massenspektrometer77

• Qualitätssicherung• Prüfung von Rohwaren• Analyse von Aromen• Untersuchung von

Pfandflaschen auf problematische Rückstände (Sniffer)

Quelle: www.unisensor.de

Elektromagnetische Strahlung

• Durch Kombination aus • Spule• Kapazität • (Widerstand)kann elektrische Schwingungen erzeugen• Keyboard• Synthesizer

• Aus elektrischen Schwingungen lässt sich mit Antennen elektromagnetische Strahlung erzeugen und empfangen


78

Elektromagnetische Frequenzspektrum


79

Quelle: Wikipedia

sichtbarer elektromagnetischer Wellenbereich Optik

Handy, Radio, TV, RFID → IP2, Versuch RCL

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