Elektrik Magnetik

• Positive und negative Ladungen, Einheit: Coulomb (C)
• Elektrische Kraft zwischen Ladungen, äquivalent zur Gravitationskraft
• Gravitationskraft nur attraktiv, elektrische Kraft kann attraktiv und abstoßend sein
• 4 Grundkräfte in der Physik: Gravitationsgesetz, Elektromagnetische Wechselwirkungen, Schwache und Starke Kernkraft
• Feldstärke des Gravitationsfeldes wird als Gravitationsfeldstärke oder Erdbeschleunigung bezeichnet
• Gravitationskraft zwischen Erde und Objekt wird schwächer mit zunehmendem Abstand
• Die Gravitationsfeldstärke oder Erdbeschleunigung ist unabhängig von der Masse des Körpers, der sich im Gravitationsfeld befindet
• Das elektrische Feld ordnet jedem Punkt im Raum einen Vektor für Richtung und Betrag der elektrischen Feldstärke zu
• Elektrische Feldlinien:

  • Zeigen von positiven Ladungen weg und zu negativen hin
  • Stehen senkrecht auf den Ladungsoberflächen
  • Die Anzahl der Feldlinien ist proportional zur Größe der Ladung
  • Änderungen eines Felds breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus
• Die elektrische Feldstärke ist die Fähigkeit eines elektrischen Feldes, eine Kraft auf Ladungen auszuüben

  • Eine Ladung in einem elektrischen Feld hat eine potentielle Energie
• Ein Gravitationsfeld hat die Fähigkeit eine Kraft auf eine Masse auszuüben

  • Eine Masse in einem Gravitationsfeld hat eine potentielle Energie
• Die Spannung U gibt an, wie viel potentielle Energie pro Ladung verfügbar ist

  • Einheit von Spannung U: J/C oder V (Volt)
• Die elektrische Spannung beschreibt einen Potenzialunterschied zwischen zwei elektrischen Kontakten

  • Einheit von Spannung (U): Joule (J) durch Coulomb (C)
  • Elektrische Spannung wird in Volt (V) ausgedrückt
• Die elektrische Feldenergie ist die Energie, die benötigt wird, um eine Ladung in einem elektrischen Feld zu verschieben

  • Einheiten: [W] = [Q] · [U] = J
  • Die potentielle Energie einer Ladung ändert sich, wenn sie eine Potentialdifferenz oder eine Spannung durchläuft
• Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1 V gewinnt oder abgibt

  • 1 eV = 1,602 · 10^-19 J
  • Wird in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt
• Influenz bezeichnet die räumliche Verschiebung elektrischer Ladungen durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes
• Ein Faraday-Käfig funktioniert, weil ein externes elektrisches Feld die elektrischen Ladungen im leitenden Material des Käfigs so verteilt, dass sie die Wirkung des Feldes im Inneren des Käfigs aufheben
• Stromleitung in Flüssigkeiten und Gasen:

  • Geladene Atome oder Moleküle übernehmen den Ladungstransport in Flüssigkeiten
  • Stromtransport = Materialtransport
  • Stromleitung in Flüssigkeiten hängt von Konzentration und Beweglichkeit der Ionen ab
  • Beweglichkeit in Flüssigkeiten ca. 10^4 mal geringer als in Metallen
  • In Gasen sind Ladungsträger Ionen oder Elektronen
  • Anwendungen: Kompakt-Leuchtstofflampen, Geiger-Müller-Zählrohr, Blitz
• Stromrichtungen:

  • Technische Stromrichtung: vom positiven zum negativen Pol
  • Reale / physikalische Stromrichtung: Bewegung der Ladungsträger
  • Bei Elektronen sind physikalische und technische Stromrichtung entgegengesetzt
• Elektrolyse und Akkus:

  • Elektrolyse wandelt elektrische in chemische Energie um
  • Batterien wandeln chemische Energie in elektrischen Strom um
• Magnetismus:

  • Zwei Arten von Magneten: Permanentmagnet und Elektromagnet
• Gravitationsgesetz:

  • Wechselwirkungen zwischen Massen
• Elektromagnetische Wechselwirkung:

  • Wechselwirkungen zwischen Ladungen
  • Wechselwirkungen zwischen magnetischen Dipolen
  • Wechselwirkungen zwischen einem Magnetfeld und sich bewegenden Ladungen
• Ein Magnet ist immer ein magnetischer Dipol
• Ein magnetischer Dipol besteht immer aus einem Nordpol und einem Südpol
• Jeder magnetische Dipol generiert ein magnetisches Feld mit der magnetischen Flussdichte B
• Die meisten biologischen Materialien sind schwach diamagnetisch
• Magnetismus in Materie:

  • Ferromagnetismus: z.B. Eisen, Kobalt und Nickel
  • Paramagnetismus: z.B. Aluminium, Sauerstoff und Natrium
  • Diamagnetismus: z.B. Wasser, Edelgase, Wasserstoff und Stickstoff
• Ein externes Magnetfeld auf ein magnetisches Dipolmoment ein Drehmoment aus, das ihn parallel zu den Feldlinien ausrichtet
• Die Abhängigkeit vom Winkel α zwischen dem magnetischen Dipolmoment μ und dem Magnetfeld B sorgt dafür, dass das Drehmoment M immer kleiner wird, je besser ein Magnet nach den Feldlinien ausgerichtet ist
• Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters:

  • Bewegte Ladungen erzeugen magnetische Kraftfelder
  • Richtung der technischen Stromrichtung und Magnetfeld
• Magnetische Permeabilität:

  • Bestimmt die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder
  • Materialien werden klassifiziert nach Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus
• Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben
• Bewegte Ladungen erzeugen magnetische Kraftfelder
• Magnetfeld einer stromführenden Spule:

  • Die Spule bildet das Äquivalent zu einem Stabmagneten
  • Richtung der technischen Stromstärke und des Magnetfeldes
• Das Magnetfeld in einem stromdurchflossenen geraden Leiter hängt von Abstand, Stromstärke und magnetischer Feldkonstante ab
• Die Lorentzkraft:

  • Kraft eines elektrischen Feldes auf eine Ladung q
  • Kraft eines magnetischen Feldes auf eine bewegte Ladung q
• Die magnetische Permeabilität μ bestimmt die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder
• Die Lorentzkraft:

  • Die Lorentzkraft entsteht aus der elektrischen und magnetischen Kraft auf ein geladenes Teilchen
  • Die magnetische Kraft ändert nicht die Geschwindigkeit, sondern nur die Richtung der Ladung
• Materialien lassen sich anhand der Permeabilitätszahl klassifizieren:

  • 0 < μr < 1: Diamagnetische Stoffe (z.B. Wasser)
  • μr > 1: Paramagnetische Stoffe (z.B. Aluminium)
  • μr >> 1: Ferromagnetische Stoffe (z.B. Eisen)