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Mikrowellen
Grundwissen
- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm m}\) und \(1\,{\rm mm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm MHz}\) bis \(300\,{\rm GHz}\)
- Anwendungen: Funk, Mikrowellenherd, Radar
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- Größenordnung der Wellenlänge: zwischen \(1\,{\rm m}\) und \(1\,{\rm mm}\)
- Größenordnung der Frequenz: von \(300\,{\rm MHz}\) bis \(300\,{\rm GHz}\)
- Anwendungen: Funk, Mikrowellenherd, Radar
Gangunterschied bei zwei Quellen
Grundwissen
- Zur Berechnung des Gangunterschiedes muss unterschieden werden, ob Sender und Empfänger nahe oder weit entfernt voneinander sind im Vergleich zu ihrem Abstand.
- Bei Reflexion am optisch dichteren Medium muss zusätzlich der Phasensprung berücksichtigt werden.
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- Zur Berechnung des Gangunterschiedes muss unterschieden werden, ob Sender und Empfänger nahe oder weit entfernt voneinander sind im Vergleich zu ihrem Abstand.
- Bei Reflexion am optisch dichteren Medium muss zusätzlich der Phasensprung berücksichtigt werden.
Potential und elektrische Spannung
Grundwissen
- Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
- Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
- Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.
Grundwissen
- Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
- Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
- Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.
Optischer DOPPLER-Effekt
Grundwissen
- Bewegt sich der Sender auf den Empfänger zu, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) kürzer.
- Bewegt sich der Sender vom Empfänger weg, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) länger.
- Der Effekt führt zur Rot- bzw. Blauverschiebung von Spektren, was genutzt wird, um Planetenbewegungen zu untersuchen.
Grundwissen
- Bewegt sich der Sender auf den Empfänger zu, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) kürzer.
- Bewegt sich der Sender vom Empfänger weg, so ist die vom Empfänger wahrgenommene Wellenlänge \(\lambda'\) länger.
- Der Effekt führt zur Rot- bzw. Blauverschiebung von Spektren, was genutzt wird, um Planetenbewegungen zu untersuchen.
Ladungseigenschaften
Grundwissen
- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
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- Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive und negative Ladung.
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- In Leitern können sich negative Ladungen relativ frei bewegen.
- Eine Folge der Kraftwirkung zwischen Ladungen ist die Influenz.
Ein- und Ausschalten von RC-Kreisen
Grundwissen
- Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
- Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).
Grundwissen
- Ladung auf dem Kondensator, Strom im Kreis, und die Spannungen über dem Widerstand und dem Kondensator können beim Ein- und Ausschalten mit Exponentialfunktionen beschrieben werden.
- Für die Halbwertszeit der Größen gilt jeweils \({t_H} = R \cdot C \cdot \ln \left( 2 \right)\).
Linsengleichungen
Grundwissen
- Die Abbildungsgleichung \(\frac{B}{G} = \frac{b}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Bildgröße \(B\), Gegenstandsgröße \(G\), Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) bei einer Linsenabbildung.
- Die Linsengleichung \(\frac{1}{f}=\frac{1}{b}+\frac{1}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Brennweite \(f\), Gegenstandsweite \(g\) und Bildweite \(b\) bei einer Linsenabbildung.
- Die Linsengleichung kann mithilfe der Hauptstrahlen und des Strahlensatzes hergeleitet werden.
- Die Linsengleichung gilt sowohl für Sammel- als auch Zerstreuungslinsen.
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- Die Abbildungsgleichung \(\frac{B}{G} = \frac{b}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Bildgröße \(B\), Gegenstandsgröße \(G\), Bildweite \(b\) und Gegenstandsweite \(g\) bei einer Linsenabbildung.
- Die Linsengleichung \(\frac{1}{f}=\frac{1}{b}+\frac{1}{g}\) beschreibt den Zusammenhang zwischen Brennweite \(f\), Gegenstandsweite \(g\) und Bildweite \(b\) bei einer Linsenabbildung.
- Die Linsengleichung kann mithilfe der Hauptstrahlen und des Strahlensatzes hergeleitet werden.
- Die Linsengleichung gilt sowohl für Sammel- als auch Zerstreuungslinsen.
Sehvorgang
Grundwissen
- Dein Auge ist - ähnlich wie eine Kamera - ein "Lichtempfänger".
- Du siehst einen Gegenstand nur dann, wenn Licht von diesem Gegenstand aus in dein Auge fällt.
- Nicht selbstleuchtende Gegenstände, wie eine Blume, siehst du, wenn diese Gegenstände das Licht von einer Lichtquelle in dein Auge zurückwerfen.
Grundwissen
- Dein Auge ist - ähnlich wie eine Kamera - ein "Lichtempfänger".
- Du siehst einen Gegenstand nur dann, wenn Licht von diesem Gegenstand aus in dein Auge fällt.
- Nicht selbstleuchtende Gegenstände, wie eine Blume, siehst du, wenn diese Gegenstände das Licht von einer Lichtquelle in dein Auge zurückwerfen.
KIRCHHOFFsche Gesetze für Fortgeschrittene
Grundwissen
- Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
- Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
- So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.
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- Die Knotenregel kann auch bei beliebig vielen zu- und abfließenden Strömen genutzt werden.
- Die Maschenregel gilt auch bei mehreren Quellen in einem Stromkreis.
- So lassen sich auch Ströme und Spannungen in sehr komplexen Schaltungen berechnen.
Einzelspalt
Grundwissen
- Auch am Einzelspalt treten Interferenzerscheinungen auf.
- Die Lage der Maxima und Minima wird von der Spaltbreite \(B\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Die Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz unterscheiden sich von denen beim Doppelspalt bzw. Gitter.
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- Auch am Einzelspalt treten Interferenzerscheinungen auf.
- Die Lage der Maxima und Minima wird von der Spaltbreite \(B\) und der Wellenlänge \(\lambda\) beeinflusst.
- Die Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz unterscheiden sich von denen beim Doppelspalt bzw. Gitter.
Von Ladung zum elektrischen Strom
Grundwissen
- Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
- Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
- Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)
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- Werden fortlaufend elektrische Ladungen transportiert, so fließt ein elektrischer Strom.
- Je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche in einem Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke \(I\) im Leiter.
- Es gilt \({\text{Stromstärke}}=\frac{{{\text{Ladung durch Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\), also \(I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)
Elektrische Spannung und Energie
Grundwissen
- Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
- Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)
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- Elektrische Spannung kann gut in Analogie mit dem offenen Wasserkreislauf verstanden werden.
- Die Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag: \(U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\)
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.
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- 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 \(P_{\rm{el}}=U\cdot I = I^2\cdot R\)
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- 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.
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- 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
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- Insbesondere bei Ein- und Ausschaltvorgängen wird die Selbstinduktion deutlich
- Strom- und Spannungsverlauf können mathematisch mittels \(e\)-Funktion exakt beschrieben werden
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.
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- 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.
Grundwissen
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: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
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: \(\frac{B}{G}=\frac{b}{g}\).
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.
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- 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 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 \(\vec A\).
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- 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 \(\vec A\).