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Reihenschaltung von Widerständen
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
- Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier in Reihe geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(R_{12}=R_1 + R_2\)
- Der Gesamtwiderstands einer Reihenschaltung ist stets größer als der größte Einzelwiderstand.
Elektrische Arbeit und Leistung
Grundwissen
- Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
- Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
- Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)
Grundwissen
- Die elektrische Arbeit berechnest du mittels \(W_{\rm{el}}=U\cdot I\cdot t\)
- Typische Einheiten sind \(1\,\rm{J}\) (Joule) oder \(1\,\rm{kWh}\) (Kilowattstunde)
- Für die elektrische Leistung gilt \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)
Transformator
Grundwissen
- Transformatoren arbeiten i.d.R. immer mit Wechselspannungen und basieren auf Induktion.
- Transformatoren besitzen eine Primär- und eine Sekundärseite.
- Man unterscheidet zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.
Grundwissen
- Transformatoren arbeiten i.d.R. immer mit Wechselspannungen und basieren auf Induktion.
- Transformatoren besitzen eine Primär- und eine Sekundärseite.
- Man unterscheidet zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.
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.
Ein- und Ausschalten von RL-Kreisen
Grundwissen
- Insbesondere bei Ein- und Ausschaltvorgängen wird die Selbstinduktion deutlich
- Strom- und Spannungsverlauf können mathematisch mittels \(e\)-Funktion exakt beschrieben werden
Grundwissen
- Insbesondere bei Ein- und Ausschaltvorgängen wird die Selbstinduktion deutlich
- Strom- und Spannungsverlauf können mathematisch mittels \(e\)-Funktion exakt beschrieben werden
Ausbreitung Elektromagnetischer Wellen
Grundwissen
- Man unterscheidet bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen Nahfeld und Fernfeld.
- Das Nahfeld ist in unmittelbarer Nähe zur Quelle/Antenne.
- Im Fernfeld schwingen elektrisches und magnetisches Feld in Phase.
Grundwissen
- Man unterscheidet bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen Nahfeld und Fernfeld.
- Das Nahfeld ist in unmittelbarer Nähe zur Quelle/Antenne.
- Im Fernfeld schwingen elektrisches und magnetisches Feld in Phase.
Energie-Impuls-Beziehung
Grundwissen
- Klassisch ist die Beziehung zwischen kinetischer Energie und Impuls \({E_{\rm{kin}}} = \frac{{{p^2}}}{{2 \cdot m}}\)
- Relativistisch gilt zwischen Gesamtenergie, Ruheenergie und Impuls die Beziehung \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
Grundwissen
- Klassisch ist die Beziehung zwischen kinetischer Energie und Impuls \({E_{\rm{kin}}} = \frac{{{p^2}}}{{2 \cdot m}}\)
- Relativistisch gilt zwischen Gesamtenergie, Ruheenergie und Impuls die Beziehung \(E = \sqrt{E_0^2 + (c\cdot p)^2}\)
Relativistische Energie
Grundwissen
- Die relativistische Gesamtenergie eines Körpers ist \(E(v)=m_{\rm{rel}}\cdot c^2=\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\cdot c^2\)
- Die Ruheenergie eines Körpers ist \(E_0=m_0\cdot c^2\)
- Die kinetische Energie ist die Differenz der Gesamtenergie \(E(v)\) und der Ruheenergie \(E_0\), also \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
Grundwissen
- Die relativistische Gesamtenergie eines Körpers ist \(E(v)=m_{\rm{rel}}\cdot c^2=\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}}\cdot c^2\)
- Die Ruheenergie eines Körpers ist \(E_0=m_0\cdot c^2\)
- Die kinetische Energie ist die Differenz der Gesamtenergie \(E(v)\) und der Ruheenergie \(E_0\), also \(E_{\rm{kin}}=\left( {\frac{m_0}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} - {m_0}} \right) \cdot {c^2}\)
Längenkontraktion
Grundwissen
- Für bewegte Beobachter sind Strecken verkürzt.
- Für die Längenkontraktion gilt: \(\Delta x' = \Delta x \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}\)
- Die Längenkontraktion findet nur in Bewegungsrichtung statt.
Grundwissen
- Für bewegte Beobachter sind Strecken verkürzt.
- Für die Längenkontraktion gilt: \(\Delta x' = \Delta x \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}\)
- Die Längenkontraktion findet nur in Bewegungsrichtung statt.
Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld
Grundwissen
- Auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld wirkt im Allgemeinen eine Kraft.
- Die Kraftrichtung kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen.
- Wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel bzw. antiparallel verlaufen, wirkt keine Kraft.
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- Auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld wirkt im Allgemeinen eine Kraft.
- Die Kraftrichtung kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen.
- Wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung parallel bzw. antiparallel verlaufen, wirkt keine Kraft.
Wechselstromwiderstände
Grundwissen
- Der Wechselstromwiderstand eines Elementes ist der Quotient aus Effektivspannung und Effektivstromstärke: \(X=\frac{U_{\rm{eff}}}{I_{\rm{eff}}}\)
- Man unterscheidet zwischen Wechselstromwiderständen von OHMschen Leitern \(X_R\), an kapazitiven Bauelementen (Kondensatoren) \(X_C\) und an induktiven Bauelementen (Spulen) \(X_L\).
- Zusätzlich verursachen Kondensatoren und Spulen Phasenverschiebungen der über dem Bauelement abfallenden Spannung gegenüber der Stromstärke1.
Grundwissen
- Der Wechselstromwiderstand eines Elementes ist der Quotient aus Effektivspannung und Effektivstromstärke: \(X=\frac{U_{\rm{eff}}}{I_{\rm{eff}}}\)
- Man unterscheidet zwischen Wechselstromwiderständen von OHMschen Leitern \(X_R\), an kapazitiven Bauelementen (Kondensatoren) \(X_C\) und an induktiven Bauelementen (Spulen) \(X_L\).
- Zusätzlich verursachen Kondensatoren und Spulen Phasenverschiebungen der über dem Bauelement abfallenden Spannung gegenüber der Stromstärke1.
Zeigerdiagramme in der Wechselstromtechnik
Grundwissen
- In der Wechselstromtechnik werden häufig Zeigerdiagramme zur Darstellung von Stromstärke und Spannung genutzt.
- Dabei dreht sich ein Zeiger, dessen Länge der Amplitude (z.B. \(\hat I\)) entspricht, mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) gegen den Uhrzeigersinn.
- Der Momentanwert der jeweiligen Größe kann dann im Zeigerdiagramm an der vertikalen Achse abgelesen werden.
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- In der Wechselstromtechnik werden häufig Zeigerdiagramme zur Darstellung von Stromstärke und Spannung genutzt.
- Dabei dreht sich ein Zeiger, dessen Länge der Amplitude (z.B. \(\hat I\)) entspricht, mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) gegen den Uhrzeigersinn.
- Der Momentanwert der jeweiligen Größe kann dann im Zeigerdiagramm an der vertikalen Achse abgelesen werden.
Gleichzeitigkeit
Grundwissen
- In einem Inertialsystem finden zwei Ereignisse an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig statt, wenn sie von einem Lichtblitz ausgelöst werden können, der genau aus der Mitte zwischen ihren Orten ausgeht.
- Finden zwei Ereignisse in einem Inertialsystem gleichzeitig statt, so finden sie in einem zweiten, gegenüber dem ersten Inertialsystem bewegten Inertialsystem zu verschiedenen Zeiten statt.
- Auch Gleichzeitigkeit ist relativ.
Grundwissen
- In einem Inertialsystem finden zwei Ereignisse an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig statt, wenn sie von einem Lichtblitz ausgelöst werden können, der genau aus der Mitte zwischen ihren Orten ausgeht.
- Finden zwei Ereignisse in einem Inertialsystem gleichzeitig statt, so finden sie in einem zweiten, gegenüber dem ersten Inertialsystem bewegten Inertialsystem zu verschiedenen Zeiten statt.
- Auch Gleichzeitigkeit ist relativ.
Relativistische Masse und Impuls
Grundwissen
- Auch die Masse eines Teilchens und sein Impuls unterliegen relativistischen Effekten.
- Die relativistische Masse nimmt mit der Geschwindigkeit \(v\) eines Teilchens stark zu, es gilt: \(m_{\rm{rel}}=\frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}}\)
- Für den relativistischen Impuls gilt \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)
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- Auch die Masse eines Teilchens und sein Impuls unterliegen relativistischen Effekten.
- Die relativistische Masse nimmt mit der Geschwindigkeit \(v\) eines Teilchens stark zu, es gilt: \(m_{\rm{rel}}=\frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}}\)
- Für den relativistischen Impuls gilt \(p = m_{\rm{rel}}\cdot v \Rightarrow p = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \cdot v\)
Lochkamera
Grundwissen
- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
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- Das Bild bei einer Lochkamera steht auf dem Kopf und ist seitenverkehrt.
- Wenn man das Loch vergrößert, wird das Bild zwar heller, dafür aber unschärfer.
- Bildgröße \(B\) und Gegenstandsgröße \(G\) sowie Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) sind quotientengleich: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
Lichtgeschwindigkeit
Grundwissen
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
Grundwissen
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht nennt man Lichtgeschwindigkeit.
- Die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum (Vakuum) beträgt \(299.792.458\,\rm{\frac{m}{s}}\). Das sind etwa \(300.000\,\rm{\frac{km}{s}}\)
- In Formeln wird diese Lichtgeschwindigkeit häufig mit \(c\) bezeichnet.
Magnetfeld eines geraden Leiters
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Grundwissen
- Das Magnetfeld um einen geraden Leiter verläuft in konzentrischen Kreisen um den Leiter.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes werden u.a. von Stromstärke und Stromrichtung im Leiter bestimmt.
- Die Richtung und die Orientierung des Magnetfeldes kannst du mit der Rechten-Faust-Regel ermitteln.
Magnetfeld einer Zylinderspule
Grundwissen
- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
Grundwissen
- Das Magnetfeld im Innenraum einer langgestreckten Spule ist annähernd homogen.
- Für die magnetische Feldstärke (magnetische Flussdichte) in einer luftgefüllten Spule gilt \(B = {\mu _0} \cdot \frac{{I \cdot N}}{l}\).
- Die magnetische Feldstärke kann mithilfe ferromagnetischer Stoffe im Innenraum um den materialabhängigen Faktor \(\mu_r\) verstärkt werden.
Gesetz von MALUS
Grundwissen
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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 \(\vec A\).
Elektromagnetischer Schwingkreis gedämpft
Grundwissen
- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
Grundwissen
- Der Widerstand der Bauteile in einem Schwingkreis führt zur Dämpfung der Schwingung.
- Die Differentialgleichung der gedämpften elektromagnetischen Schwingung ist \(L \cdot \ddot Q + \frac{Q}{C} + R \cdot \dot Q = 0\).
Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
Grundwissen
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Größe" der Ladungen.
- Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Ladungen.
Stromkreiselemente
Grundwissen
- Damit eine Lampe leuchtet, muss immer ein geschlossener Stromkreis vorliegen.
- Kabel dienen als Verlängerungen und ermöglichen einen einfachen Aufbau.
- Mit Schaltern kann der Stromkreis geöffnet und geschlossen werden.
- Sicherungen schützen die Bauteile im Stromkreis vor zu großen Strömen.
Grundwissen
- Damit eine Lampe leuchtet, muss immer ein geschlossener Stromkreis vorliegen.
- Kabel dienen als Verlängerungen und ermöglichen einen einfachen Aufbau.
- Mit Schaltern kann der Stromkreis geöffnet und geschlossen werden.
- Sicherungen schützen die Bauteile im Stromkreis vor zu großen Strömen.
Geschwindigkeitsaddition
Grundwissen
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Grundwissen
- Ist \(u\) die Geschwindigkeit eines Körpers im System S und \(v\) die Geschwindigkeit des Systems S' in Bezug auf S und \(u'\) die Geschwindigkeit des Körpers im System S', dann gilt der Zusammenhang \(u = \frac{{u' + v}}{{1 + \frac{{u' \cdot v}}{{{c^2}}}}}\).
Parallelschaltung von Widerständen
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier parallel geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(\frac{1}{R_{12}}=\frac{1}{R_1} +\frac{1}{R_2}\)
- Der Gesamtwiderstands einer Parallelschaltung ist stets kleiner als der kleinste Einzelwiderstand eines Astes.
Grundwissen
- Für den Gesamtwiderstand \(R_{12}\) zweier parallel geschalteter Widerstände \(R_1\) und \(R_2\) gilt: \(\frac{1}{R_{12}}=\frac{1}{R_1} +\frac{1}{R_2}\)
- Der Gesamtwiderstands einer Parallelschaltung ist stets kleiner als der kleinste Einzelwiderstand eines Astes.
Leiter und Nichtleiter
Grundwissen
- Materialien können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Leiter (z.B. Metalle) und Nichtleiter (z.B. Kunststoffe).
- Ob ein Material Strom gut oder schlecht leitet kannst du mit einer Testschaltung prüfen.
- Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto besser leitet Wasser Strom.
- Die meisten Gase leiten Strom nicht.
Grundwissen
- Materialien können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Leiter (z.B. Metalle) und Nichtleiter (z.B. Kunststoffe).
- Ob ein Material Strom gut oder schlecht leitet kannst du mit einer Testschaltung prüfen.
- Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto besser leitet Wasser Strom.
- Die meisten Gase leiten Strom nicht.
Elektrische Ladung
Grundwissen
- Die Einheit der elektrischen Ladung, Symbol \(Q\), ist das Coulomb, Symbol \(\rm{C}\).
- Ein Elektron besitzt die negative Elementarladung: \(q_{\rm{Elektron}}=-e = -1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\rm{C}\).
Grundwissen
- Die Einheit der elektrischen Ladung, Symbol \(Q\), ist das Coulomb, Symbol \(\rm{C}\).
- Ein Elektron besitzt die negative Elementarladung: \(q_{\rm{Elektron}}=-e = -1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\rm{C}\).