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Kopplungsparameter
Grundwissen
- Der Kopplungsparameter bestimmt, wie stark und wie wahrscheinlich eine Wechselwirkung ist.
- Für jede der vier fundamentalen Wechselwirkungen gibt es einen Kopplungsparameter \(\alpha\).
- Der Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung \(\alpha_{\rm{S}}\) hängt vom Abstand der Elementarteilchen ab und liegt im Bereich von \(0{,}1\) bis \(0{,}5\).
- Der Kopplungsparameter der schwachen Wechselwirkung ist\({\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{{30}}\) und der elektromagnetischen Wechselwirkung \({\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{{137}}\).
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- Der Kopplungsparameter bestimmt, wie stark und wie wahrscheinlich eine Wechselwirkung ist.
- Für jede der vier fundamentalen Wechselwirkungen gibt es einen Kopplungsparameter \(\alpha\).
- Der Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung \(\alpha_{\rm{S}}\) hängt vom Abstand der Elementarteilchen ab und liegt im Bereich von \(0{,}1\) bis \(0{,}5\).
- Der Kopplungsparameter der schwachen Wechselwirkung ist\({\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{{30}}\) und der elektromagnetischen Wechselwirkung \({\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{{137}}\).
Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern
Grundwissen
- Hier findest du vermischte Aufgaben zu allen Themen aus diesem Themenbereich
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Größen zur Beschreibung einer (elektromagnetischen) Welle
Grundwissen
- Amplitude \(\hat E\), Schwingungsdauer \(T\) bzw. Frequenz \(f\) und Intensität \(I\) sind zentrale Größen zur Beschreibung einer elektromagnetischen Welle.
- Für die Wellenlänge gilt \(\lambda=\frac{c}{f}\).
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- Amplitude \(\hat E\), Schwingungsdauer \(T\) bzw. Frequenz \(f\) und Intensität \(I\) sind zentrale Größen zur Beschreibung einer elektromagnetischen Welle.
- Für die Wellenlänge gilt \(\lambda=\frac{c}{f}\).
Geladene Teilchen im magnetischen Feld (schräger Eintritt)
Grundwissen
- Tritt ein geladenes Teilchen schräg zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetisches Feld ein, so durchläuft es im B-Feld eine Schraubenlinie.
- Für den Radius der Schraubenlinie gilt \(r = \frac{{m \cdot v}}{{q \cdot B}} \cdot \sin \left( \alpha \right)\)
- Die Ganghöhe beträgt \(h = \frac{{2 \cdot \pi \cdot m \cdot v}}{{q \cdot B}} \cdot \cos \left( \alpha \right)\)
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- Tritt ein geladenes Teilchen schräg zu den Feldlinien in ein homogenes Magnetisches Feld ein, so durchläuft es im B-Feld eine Schraubenlinie.
- Für den Radius der Schraubenlinie gilt \(r = \frac{{m \cdot v}}{{q \cdot B}} \cdot \sin \left( \alpha \right)\)
- Die Ganghöhe beträgt \(h = \frac{{2 \cdot \pi \cdot m \cdot v}}{{q \cdot B}} \cdot \cos \left( \alpha \right)\)
HALL-Effekt
Grundwissen
- Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld, dann baut sich senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung über dem Leiter eine Spannung, die sogenannte HALL-Spannung \(U_{\rm{H}}\) auf.
- Ist \(I\) die Stärke des Stroms durch den Leiter, \(B\) die magnetische Feldstärke und \(d\) die Dicke des Leiters parallel zu \(\vec B\), dann berechnet sich die HALL-Spannung durch \({U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d}\) mit der vom Material des Leiters abhängigen HALL-Konstanten \({R_{\rm{H}}}\).
Grundwissen
- Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld, dann baut sich senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung über dem Leiter eine Spannung, die sogenannte HALL-Spannung \(U_{\rm{H}}\) auf.
- Ist \(I\) die Stärke des Stroms durch den Leiter, \(B\) die magnetische Feldstärke und \(d\) die Dicke des Leiters parallel zu \(\vec B\), dann berechnet sich die HALL-Spannung durch \({U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d}\) mit der vom Material des Leiters abhängigen HALL-Konstanten \({R_{\rm{H}}}\).
Elektromagnetischer Schwingkreis angeregt
Grundwissen
- Einem angeregten elektromagnetischen Schwingkreis wird eine äußere Spannung \(U(t)\) aufgeprägt.
- Die Differentialgleichung lautet \(U(t) = L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q\)
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- Einem angeregten elektromagnetischen Schwingkreis wird eine äußere Spannung \(U(t)\) aufgeprägt.
- Die Differentialgleichung lautet \(U(t) = L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q\)
Überblick über die Strahlungsarten
Grundwissen
- Die drei Strahlungsarten unterscheiden sich in vielfältigen Eigenschaften
- Aber jede der Strahlungsarten kann für den Menschen gefährlich sein
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- Die drei Strahlungsarten unterscheiden sich in vielfältigen Eigenschaften
- Aber jede der Strahlungsarten kann für den Menschen gefährlich sein
Herleitung der Wellenfunktion
Grundwissen
- Die Wellenfunktion beschreibt die Ausbreitung einer Welle mathematisch.
- Für eine in positive \(x\)-Richtung laufende Welle gilt: \(y(x;t) = \hat y \cdot \sin \left( {2\pi \cdot \left( {\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }} \right)} \right)\)
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- Die Wellenfunktion beschreibt die Ausbreitung einer Welle mathematisch.
- Für eine in positive \(x\)-Richtung laufende Welle gilt: \(y(x;t) = \hat y \cdot \sin \left( {2\pi \cdot \left( {\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }} \right)} \right)\)
Erzeugung von RÖNTGEN-Strahlung
Grundwissen
- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
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- In RÖNTGEN-Röhren werden Elektronen stark beschleunigt und treffen dann auf eine Anode aus Metall.
- Die Beschleunigungsspannungen betragen meist zwischen \(1\,\rm{kV}\) und \(100\,\rm{kV}\).
- Beim Abbremsen der Elektronen im Anodenmaterial entsteht RÖNTGEN-Strahlung (Bremsstrahlung und Charakteristische Strahlung) und Wärme.
- Die Wellenlänge von RÖNTGEN-Strahlung liegt etwa zwischen \(1\,\rm{nm}\) und \(1\,\rm{pm}\).
Elektromagnetisches Spektrum
Grundwissen
- Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich über viele Größenordnungen hinweg.
- Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.
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- Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich über viele Größenordnungen hinweg.
- Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.
Größen zur Beschreibung von Induktionsvorgängen
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
Grundwissen
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist das magnetische Feld stets homogen und kann durch einen einzigen Feldvektor \(\vec B\) beschrieben werden.
- Bei unseren Versuchen und Aufgaben zur Induktion ist die Leiterschleife stets eben und kann durch einen einzigen Flächenvektor \(\vec A\) beschrieben werden. \(\vec A\) beschreibt dabei die (Teil-)Fläche der Leiterschleife, die sich im magnetischen Feld befindet.
- Bei Induktionsvorgängen ist \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen dem Feldvektor \(\vec B\) und dem Flächenvektor \(\vec A\).
WIENscher Geschwindigkeitsfilter
Grundwissen
- Ein WIENscher Geschwindigkeitsfilter besteht aus einem homogenen elektrischen Feld und einem homogenen magnetischem Feld, die senkrecht zueinander stehen. Die Elektronen treten senkrecht zu beiden Feldern ein.
- Nur wenn ein Elektron die passende Geschwindigkeit \(v=\frac{E}{B}\) besitzt, sind die elektrische Kraft und die LORENTZ-Kraft auf das Elektronen gleich groß und es passiert den Geschwindigkeitsfilter.
Grundwissen
- Ein WIENscher Geschwindigkeitsfilter besteht aus einem homogenen elektrischen Feld und einem homogenen magnetischem Feld, die senkrecht zueinander stehen. Die Elektronen treten senkrecht zu beiden Feldern ein.
- Nur wenn ein Elektron die passende Geschwindigkeit \(v=\frac{E}{B}\) besitzt, sind die elektrische Kraft und die LORENTZ-Kraft auf das Elektronen gleich groß und es passiert den Geschwindigkeitsfilter.
Botenteilchen
Grundwissen
- Vermittler der starken Wechselwirkung sind 8 verschiedene Gluonen, die verschiedene Kombinationen an Farbladungen tragen.
- Vermittler der schwachen Wechselwirkung sind \(W^+\)-, \(W^-\)- und \(Z\)-Bosonen, die eine sehr kurze Lebensdauer und eine sehr geringe Reichweite von ca. \(2\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\) haben.
- Photonen sind die Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen keinerlei Ladung und haben daher eine unendliche Reichweite.
Grundwissen
- Vermittler der starken Wechselwirkung sind 8 verschiedene Gluonen, die verschiedene Kombinationen an Farbladungen tragen.
- Vermittler der schwachen Wechselwirkung sind \(W^+\)-, \(W^-\)- und \(Z\)-Bosonen, die eine sehr kurze Lebensdauer und eine sehr geringe Reichweite von ca. \(2\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\) haben.
- Photonen sind die Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen keinerlei Ladung und haben daher eine unendliche Reichweite.
Geschichte
Wechselwirkung ungleich Gleichgewicht
Grundwissen
- Wechselwirkungskräfte und Kräftegleichgewicht dürfen nicht verwechselt werden.
- Wechselwirkungskräfte greifen immer an zwei unterschiedlichen Körpern an, Kräfte im Gleichgewicht an einem einzigen Körper.
- Wechselwirkungskräfte treten immer auf, ein Kräftegleichgewicht kann nur vorliegen, muss aber nicht.
Grundwissen
- Wechselwirkungskräfte und Kräftegleichgewicht dürfen nicht verwechselt werden.
- Wechselwirkungskräfte greifen immer an zwei unterschiedlichen Körpern an, Kräfte im Gleichgewicht an einem einzigen Körper.
- Wechselwirkungskräfte treten immer auf, ein Kräftegleichgewicht kann nur vorliegen, muss aber nicht.
Sichtbares Licht
Grundwissen
- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(780\,{\rm nm}\) und \(380\,{\rm nm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(384\,{\rm THz}\) bis \(789\,{\rm THz}\)
Grundwissen
- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(780\,{\rm nm}\) und \(380\,{\rm nm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(384\,{\rm THz}\) bis \(789\,{\rm THz}\)
LORENTZ-Kraft
Grundwissen
- Bewegen sich Ladungsträger senkrecht oder schräg zu einem Magnetfeld, so wirkt eine Lorentzkraft auf die Ladungsträger.
- Die Kraftrichtung kann mit der Drei-Finger-Regel bestimmt werden.
- Die Lorentzkraft wirkt auch auf freie Ladungsträger.
Grundwissen
- Bewegen sich Ladungsträger senkrecht oder schräg zu einem Magnetfeld, so wirkt eine Lorentzkraft auf die Ladungsträger.
- Die Kraftrichtung kann mit der Drei-Finger-Regel bestimmt werden.
- Die Lorentzkraft wirkt auch auf freie Ladungsträger.
Ladungen
Grundwissen
- Ladungen sind fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens, sie können nur bestimmte Werte annehmen (sind gequantelt), bleiben erhalten und bestimmen, ob ein Teilchen einer bestimmten Wechselwirkung unterliegt.
- Es gibt sechs verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau und die Einordnung der Elementarteilchen geschieht in einem zweidimensionalen Farbgitter.
- Die schwache Ladung hat das Formelzeichen \(I\) und kann ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{2}\) als Werte annehmen und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig..
- Die Größe "elektrische Ladung" hat ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) als Werte und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig.
Grundwissen
- Ladungen sind fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens, sie können nur bestimmte Werte annehmen (sind gequantelt), bleiben erhalten und bestimmen, ob ein Teilchen einer bestimmten Wechselwirkung unterliegt.
- Es gibt sechs verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau und die Einordnung der Elementarteilchen geschieht in einem zweidimensionalen Farbgitter.
- Die schwache Ladung hat das Formelzeichen \(I\) und kann ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{2}\) als Werte annehmen und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig..
- Die Größe "elektrische Ladung" hat ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) als Werte und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig.
Energiebetrachtung bei Harmonischen Schwingungen
Grundwissen
- Ein allgemeines Kennzeichen für mechanische Schwingungen ist das periodische Hin- und Herpendeln zwischen zwei Energieformen.
- Bei ungedämpften mechanischen Schwingungen ist die Summe der Energien, die in den beiden Energieformen vorliegen, zeitlich konstant.
Grundwissen
- Ein allgemeines Kennzeichen für mechanische Schwingungen ist das periodische Hin- und Herpendeln zwischen zwei Energieformen.
- Bei ungedämpften mechanischen Schwingungen ist die Summe der Energien, die in den beiden Energieformen vorliegen, zeitlich konstant.
Bestimmung der LORENTZ-Kraft
Grundwissen
- Herrscht an einem Punkt ein magnetisches Feld \(\vec B\) mit bekannter Richtung, Orientierung und Flussdichte \(B\), und bewegt sich an diesem Punkt ein Teilchen mit der Ladung \(q\) und der Geschwindigkeit \(\vec v\), dann kannst du die Richtung, die Orientierung und den Betrag der LORENTZ-Kraft \(\vec F_{\rm{L}}\) auf dieses Teilchen bestimmen.
- Die Richtung und die Orientierung der LORENTZ-Kraft \(\vec F_{\rm{L}}\) auf das Teilchen bestimmst du mit Hilfe der Drei-Finger-Regel der rechten Hand (Daumen in Bewegungsrichtung eines positiv geladenen Teilchens, Zeigefinger in Magnetfeldrichtung → Mittelfinger in Kraftrichtung).
- Den Betrag \(F_{\rm{L}}\) der LORENTZ-Kraft auf das Teilchen berechnest du mit der Formel \({F_{{\rm{L}}}} = q \cdot v \cdot B \cdot \sin \left( \varphi \right)\), wobei \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen \(\vec B\) und \(\vec v\) ist.
Grundwissen
- Herrscht an einem Punkt ein magnetisches Feld \(\vec B\) mit bekannter Richtung, Orientierung und Flussdichte \(B\), und bewegt sich an diesem Punkt ein Teilchen mit der Ladung \(q\) und der Geschwindigkeit \(\vec v\), dann kannst du die Richtung, die Orientierung und den Betrag der LORENTZ-Kraft \(\vec F_{\rm{L}}\) auf dieses Teilchen bestimmen.
- Die Richtung und die Orientierung der LORENTZ-Kraft \(\vec F_{\rm{L}}\) auf das Teilchen bestimmst du mit Hilfe der Drei-Finger-Regel der rechten Hand (Daumen in Bewegungsrichtung eines positiv geladenen Teilchens, Zeigefinger in Magnetfeldrichtung → Mittelfinger in Kraftrichtung).
- Den Betrag \(F_{\rm{L}}\) der LORENTZ-Kraft auf das Teilchen berechnest du mit der Formel \({F_{{\rm{L}}}} = q \cdot v \cdot B \cdot \sin \left( \varphi \right)\), wobei \(\varphi\) die Weite des Winkels zwischen \(\vec B\) und \(\vec v\) ist.
Generator- und Motorprinzip
Grundwissen
- Die Funktionsweise von Generatoren und Elektromotoren sind physikalisch eng verbunden
- Zentral ist bei beiden die Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld
Grundwissen
- Die Funktionsweise von Generatoren und Elektromotoren sind physikalisch eng verbunden
- Zentral ist bei beiden die Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld
Geschichte
Röntgenstrahlung
Grundwissen
- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm nm}\) und \(10\,{\rm pm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(3\cdot 10^{17}\,{\rm Hz}\) bis \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
- Anwendungen: Röntgengeräte, Computertomographen
Grundwissen
- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm nm}\) und \(10\,{\rm pm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(3\cdot 10^{17}\,{\rm Hz}\) bis \(3\cdot 10^{19}\,{\rm Hz}\)
- Anwendungen: Röntgengeräte, Computertomographen
Alphazerfall und Alphastrahlung
Grundwissen
- Bei Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Heliumatomkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
- Alphastrahlung hat eine geringe Reichweite und kann leicht abgeschirmt werden.
- Alphastrahlung besitzt ein hohes Ionisierungsvermögen (ionisiert viele Teilchen in kleinem Raum).
Grundwissen
- Bei Alphastrahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Heliumatomkernen (zwei Protonen und zwei Neutronen).
- Alphastrahlung hat eine geringe Reichweite und kann leicht abgeschirmt werden.
- Alphastrahlung besitzt ein hohes Ionisierungsvermögen (ionisiert viele Teilchen in kleinem Raum).
Beta-Minus-Zerfall und Beta-Minus-Strahlung
Grundwissen
- Bei Beta-Minus-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Elektronen.
- Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (und ein Elektron-Antineutrino) um.
- Beta-Minus-Strahlung kann durch dünne Metallplatten gut abgeschirmt werden.
Grundwissen
- Bei Beta-Minus-Strahlung handelt es sich um eine Teilchenstrahlung aus Elektronen.
- Bei einem Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (und ein Elektron-Antineutrino) um.
- Beta-Minus-Strahlung kann durch dünne Metallplatten gut abgeschirmt werden.