Elektrik Magnetik

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  • 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)