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Übergreifend
Reise in die Forschung
In unserer LEIFI-Reihe „Reise in die Forschung“ stellen wir euch in größeren Abständen verschiedene Forschungsprojekte aus der Physik vor. Dabei erhaltet ihr nicht nur einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen sondern erfahrt auch, wie fachübergreifend solche Projekte häufig bearbeitet werden.
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Übergreifend
Physik und Film
Immer wieder finden sich in Filmen und Fernsehserien Szenen, die für den Physikunterricht relevant sein können. So kann z. B. die Frage gestellt werden, ob gezeigte Stunts unter physikalischen Bedingungen überhaupt möglich sind. Gelegentlich sind aber physikalische Themen selbst Gegenstand von Filmen oder Serien. Wir stellen euch hier geeignete Beispiele für den Einsatz im Unterricht vor.
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Bionik
Wie wird eine Pflanze sauber?
Warum hilft Haifischhaut beim Fliegen?
Wer hat den Klettverschluss erfunden?
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Übergreifend
Physikalischer Spaziergang
Physik ist überall, Physik bewegt. Wir nehmen euch mit zu einer Reise in eure eigene Nachbarschaft und geben Anregungen die Physik in eurer Umwelt zu entdecken. Physik vom Atom bis zum Zebra.
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Der Transistor-Effekt
Grundwissen
- Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
- Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.
Grundwissen
- Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend positiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt).
- Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.
Transistor-Formalitäten
Grundwissen
- Einfache Transistoren bestehen drei abwechselnd p- und n-dotierten Halbleiterschichten.
- Man unterscheidet zwischen npn-Transistor und pnp-Transistor - meistens behandelt man jedoch npn-Transistoren.
- Die drei Teile nennt man Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E).
- Es gibt drei Schaltungsarten eines Transistors: Emitterschaltung, Kollektorschaltung und Basisschaltung. In der Praxis spielt die Emitterschaltung eine große Rolle.
Grundwissen
- Einfache Transistoren bestehen drei abwechselnd p- und n-dotierten Halbleiterschichten.
- Man unterscheidet zwischen npn-Transistor und pnp-Transistor - meistens behandelt man jedoch npn-Transistoren.
- Die drei Teile nennt man Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E).
- Es gibt drei Schaltungsarten eines Transistors: Emitterschaltung, Kollektorschaltung und Basisschaltung. In der Praxis spielt die Emitterschaltung eine große Rolle.
Technik der Dotierung
Grundwissen
- Halbleiter werden meist durch ein Diffusionsverfahren oder durch Implantation (Einschuss) mit Fremdatomen dotiert.
Grundwissen
- Halbleiter werden meist durch ein Diffusionsverfahren oder durch Implantation (Einschuss) mit Fremdatomen dotiert.
Eigenleitung im Siliziumkristall
Grundwissen
- Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren.
- Bei Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung werden Elektronen aus ihren Paarbindungen gelöst - es entstehen Leitungselektronen und Löcher.
- Legt man eine äußere Spannung an, kommt es zur sogn Eigenleitung.
Grundwissen
- Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren.
- Bei Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung werden Elektronen aus ihren Paarbindungen gelöst - es entstehen Leitungselektronen und Löcher.
- Legt man eine äußere Spannung an, kommt es zur sogn Eigenleitung.
Dotierte Halbleiter
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern (kurz n- bzw. p-Halbleiter).
- Bei n-Halbleitern entstehen frei bewegliche Elektronen auf einem Untergrund positiver, ortsfester Atomrümpfe.
- Bei p-Halbleitern entstehen frei bewegliche "Löcher" auf einem Untergrund negativer, ortsfester Atomrümpfe.
Grundwissen
- Man unterscheidet zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern (kurz n- bzw. p-Halbleiter).
- Bei n-Halbleitern entstehen frei bewegliche Elektronen auf einem Untergrund positiver, ortsfester Atomrümpfe.
- Bei p-Halbleitern entstehen frei bewegliche "Löcher" auf einem Untergrund negativer, ortsfester Atomrümpfe.
Stromrichtige und Spannungsrichtige Messung
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
Grundwissen
- Messgeräte können die genaue Messung von Größen beeinflussen.
- Je nachdem, ob die die Stromstärke \(I\) oder die Spannung \(U\) besonders genau messen möchtest, musst du deine Messgeräte schalten.
p-n-Übergang - Halbleiterdiode
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Grundwissen
Joachim Herz Stiftung
- Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter
- Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung
- Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet
Leuchtdioden (LED) - Einführung
Grundwissen
- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Grundwissen
- Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
- LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
- LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Silizium-Solarzellen
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.
Grundwissen
- Klassische Silizium-Solarzellen bestehen aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Schicht. Am Übergang bildet sich eine sog. Raumladungszone.
- Einfallendes Licht löst in dieser Raumladungszone Elektronen von Atomen (innerer Fotoeffekt).
- Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt aktuell bei 13% - 48%.
Ausblick
Ausblick
Elektronik
Einführung in die Elektronik
- Was sind eigentlich Halbleiter?
- Welche besonderen Eigenschaften haben Halbleiter?
- Warum werden Halbleiter dotiert?
- Wie funktioniert die Dotierung von Halbleitern technisch?
Themenbereich
Elektronik
Halbleiterdiode
- Woraus bestehen eigentlich Dioden?
- Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
- Wie funktionieren Leuchtdioden?
- Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?
Themenbereich
Elektronik
Transistor
- Wie ist ein Transistor aufgebaut?
- Können Transistoren Strom verstärken?
- Warum sind Transistoren heute so wichtig?
- Wo und wie werden Transistoren überall eingesetzt?
Themenbereich
Absolute Temperatur
Grundwissen
- Der absolute Nullpunkt der Temperatur liegt bei \(\vartheta=-273{,}15\,^\circ{\rm C}\).
- Die Kelvin-Skala hat ihren Nullpunkt am absoluten Nullpunkt. Eine Temperatur von \(\vartheta=-273,15\,^\circ{\rm C}\) entspricht \(0\,{\rm K}\).
- Kelvin-Temperaturen werden mit \(T\) symbolisiert und die Einheit Kelvin wird mit \({\rm K}\) abgekürzt.
- Temperaturdifferenzen \(\Delta T\) werden in der Regel ebenfalls in \(\rm {K}\) angegeben.
Grundwissen
- Der absolute Nullpunkt der Temperatur liegt bei \(\vartheta=-273{,}15\,^\circ{\rm C}\).
- Die Kelvin-Skala hat ihren Nullpunkt am absoluten Nullpunkt. Eine Temperatur von \(\vartheta=-273,15\,^\circ{\rm C}\) entspricht \(0\,{\rm K}\).
- Kelvin-Temperaturen werden mit \(T\) symbolisiert und die Einheit Kelvin wird mit \({\rm K}\) abgekürzt.
- Temperaturdifferenzen \(\Delta T\) werden in der Regel ebenfalls in \(\rm {K}\) angegeben.
Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)
Grundwissen
- Wärmestrahlung geht in der Regel von jedem Körper aus.
- Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht.
- Wärmestrahlung benötigt kein Medium um sich auszubreiten.
Grundwissen
- Wärmestrahlung geht in der Regel von jedem Körper aus.
- Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht.
- Wärmestrahlung benötigt kein Medium um sich auszubreiten.
Überblick über Wärmekraftmaschinen
Grundwissen
- Wärmekraftmaschinen erleichtern uns an vielen Stellen im Alltag das Leben.
- Die Dampfmaschine war die erste wichtige Wärmekraftmaschine.
- Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist begrenzt.
Grundwissen
- Wärmekraftmaschinen erleichtern uns an vielen Stellen im Alltag das Leben.
- Die Dampfmaschine war die erste wichtige Wärmekraftmaschine.
- Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist begrenzt.
Allgemeines Gasgesetz
Grundwissen
- Das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE und das Gesetz von GAY-LUSSAC können zur allgemeinen Gasgleichung zusammengefasst werden.
- Die allgemeine Gasgleichung besagt: \(\frac{{p \cdot V}}{T}\;{\rm{ist}}\;{\rm{konstant}}\)
Grundwissen
- Das Gesetz von BOYLE-MARIOTTE und das Gesetz von GAY-LUSSAC können zur allgemeinen Gasgleichung zusammengefasst werden.
- Die allgemeine Gasgleichung besagt: \(\frac{{p \cdot V}}{T}\;{\rm{ist}}\;{\rm{konstant}}\)
Änderung der inneren Energie
Grundwissen
- Eine Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\) kann durch Verrichtung von Arbeit an einem Körper oder durch Übertragung von Wärme auf einen Körper erfolgen.
- Die Änderung der innere Energie \(\Delta E_{\rm i}\) ist proportional zur Temperaturänderung \(\Delta \vartheta\) und zur Masse \(m\) .
- Mathematisch wird der Zusammenhang beschrieben durch \(\Delta E_{\rm i}= c \cdot m\cdot \Delta \vartheta\).
Grundwissen
- Eine Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\) kann durch Verrichtung von Arbeit an einem Körper oder durch Übertragung von Wärme auf einen Körper erfolgen.
- Die Änderung der innere Energie \(\Delta E_{\rm i}\) ist proportional zur Temperaturänderung \(\Delta \vartheta\) und zur Masse \(m\) .
- Mathematisch wird der Zusammenhang beschrieben durch \(\Delta E_{\rm i}= c \cdot m\cdot \Delta \vartheta\).
Wärmetransport
Grundwissen
- Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)
- Im Alltag treten oft mehrere Arten gemeinsam auf
- Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport
Grundwissen
- Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)
- Im Alltag treten oft mehrere Arten gemeinsam auf
- Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport