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| elektrotechnik_1:grundlagen_und_grundbegriffe_dummy [2021/01/19 18:27] – tfischer | elektrotechnik_1:grundlagen_und_grundbegriffe_dummy [2021/05/09 11:15] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1 | ||
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| Wie viel Energie verbraucht ein durchschnittlicher Haushalt am Tag, wenn er eine mittlere Leistung von 500 W aufnimmt? Wie viele Schokoriegel (je 2000 kJ) entspricht das? | Wie viel Energie verbraucht ein durchschnittlicher Haushalt am Tag, wenn er eine mittlere Leistung von 500 W aufnimmt? Wie viele Schokoriegel (je 2000 kJ) entspricht das? | ||
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| - | ===== 1.2 Einführung in die Struktur der Materie ===== | ||
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| - | === Ziele === | ||
| - | Nach dieser Lektion sollten Sie: | ||
| - | - die Größe der Elementarladung kennen | ||
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| - | ==== Elementarladung ==== | ||
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| - | <WRAP > | ||
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| - | {{drawio> | ||
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| - | * Erklärung der Ladung anhand der Atommodelle nach Bohr und Sommerfeld (siehe <imgref BildNr0> | ||
| - | * Atome bestehen aus | ||
| - | * Atomkern (mit Protonen und Neutronen) | ||
| - | * Elektronenhülle | ||
| - | * Elektronen sind Träger der Elementarladung $|e|$ | ||
| - | * Elementarladung $|e| = 1,6022\cdot 10^{-19} C$ | ||
| - | * Proton ist der Gegenspieler, | ||
| - | * Vorzeichen ist willkürlich gewählt: | ||
| - | * Elektronenladung: | ||
| - | * Protonenladung: | ||
| - | * alle Ladungen auf/in Körpern können nur als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auftreten | ||
| - | * Aufgrund des geringen Zahlenwerts von $e$ wird bei makroskopischer Betrachtung die Ladung als Kontinuum betrachtet | ||
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| - | ==== Leitfähigkeit ==== | ||
| - | <WRAP >< | ||
| - | <callout color=" | ||
| - | === Leiter === | ||
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| - | Im Leiter sind Ladungsträger frei beweglich. | ||
| - | \\ \\ \\ \\ | ||
| - | Beispiele: | ||
| - | * Metalle | ||
| - | * Plasma | ||
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| - | <callout color=" | ||
| - | === Halbleiter === | ||
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| - | Im Halbleiter können Ladungsträger durch Wärme und Lichteinstrahlung generiert werden. Häufig ist bereits durch die Raumtemperatur eine geringe Bewegung der Elektronen möglich. | ||
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| - | Beispiele: | ||
| - | * Silizium, Diamant | ||
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| - | <callout color=" | ||
| - | === Isolator === | ||
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| - | Im Isolator sind Ladungsträger fest an den Atomhüllen gebunden. | ||
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| - | Beispiele: | ||
| - | * viele Kunststoffe und Salze | ||
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| - | ==== Übungen ==== | ||
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| - | <panel type=" | ||
| - | Wie viele Elektronen bilden die Ladung von einem Coulomb? | ||
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| - | <panel type=" | ||
| - | Ein Luftballon hat auf der Oberfläche eine Ladung von $Q=7nC$. Wie viele Elektronen sind zusätzlich auf dem Luftballon? | ||
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| - | ===== 1.3 Effekte des elektrischen Stroms ===== | ||
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| - | === Ziele === | ||
| - | Nach dieser Lektion sollten Sie: | ||
| - | - wissen, dass zwischen Ladungen Kräfte wirken. | ||
| - | - das Coulombsche Gesetz kennen und anwenden können. | ||
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| - | * Welche Effekte des elektrischen Stroms kennen Sie? | ||
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| - | ==== erste Näherung an die el. Ladung ==== | ||
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| - | <WRAP > | ||
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| - | {{drawio> | ||
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| - | * erster Versuch (siehe <imgref BildNr1> | ||
| - | * zwei Ladungen ($Q_1$ und $Q_2$) sind im Abstand $r$ aufgehängt | ||
| - | * Ladungen werden durch Hochspannungsquelle erzeugt und auf die beiden Probekörper übertragen | ||
| - | * Ergebnis | ||
| - | * Probekörper mit gleichen Ladungen versehen $\rightarrow$ Abstoßung | ||
| - | * Probekörper mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens versehen $\rightarrow$ Anziehung | ||
| - | * Erkenntnisse | ||
| - | * Die Kräfte können nicht mechanisch erklärt werden | ||
| - | * Es scheint zwei unterschiedliche Arten von Ladungen zu existieren. $\rightarrow$ positive (+) und negative (-) Ladung | ||
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| - | ==== Coulomb-Kraft ==== | ||
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| - | Aufbau für eigene Versuche \\ | ||
| - | {{url> | ||
| - | Nehmen Sie eine Ladung ($+1nC$) und positionieren Sie diese. Messen Sie das Feld über eine Probeladung (einen Sensor) aus. | ||
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| - | Versuch zum Coulomb' | ||
| - | {{youtube> | ||
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| - | * [[https:// | ||
| - | * Qualitative Untersuchung mittels zweitem Versuch | ||
| - | * zwei Ladungen ($Q_1$ und $Q_2$) im Abstand $r$ | ||
| - | * zusätzlich Messung der Kraft $F_C$ (z.B. über Federwaage) | ||
| - | * Versuch ergibt: | ||
| - | * Kraft steigt linear bei größerer Ladung $Q_1$ oder $Q_2$ \\ $ F_C \sim Q_1$ und $ F_C \sim Q_2$ | ||
| - | * Kraft fällt quadratisch bei größerem Abstand $r$ \\ $ F_C \sim {1 \over {r^2}}$ | ||
| - | * mit einem Proportionalitätsfaktor $a$: \\ $ F_C = a \cdot {{Q_1 \cdot Q_2} \over {r^2}}$ | ||
| - | * Proportionalitätsfaktor $a$ | ||
| - | * Der Proportionalitätsfaktor $a$ wird so definiert, dass sich in der Elektrodynamik einfachere Beziehungen entstehen. | ||
| - | * $a$ wird damit zu: \\ $a = {{1} \over {4\pi\cdot\varepsilon}}$ | ||
| - | * $\varepsilon_0$ ist die {{wpde> | ||
| - | * Die Formel ähnelt derjenigen der Gravitationskraft: | ||
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| - | <callout icon=" | ||
| - | Die Coulombkraft (im Vakuum) lässt sich berechnen über \\ $\boxed{ F_C = {{{1} \over {4\pi\cdot\varepsilon_0}} \cdot {{Q_1 \cdot Q_2} \over {r^2}}}}$ \\ | ||
| - | mit $\varepsilon_0 = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{C^2 \over {m^2\cdot N}}} = 8,85 \cdot 10^{-12} \cdot {{As} \over {Vm}}$ | ||
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