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Physikhausübung: Magnete & Elektrizität

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Heinrich-von-Zügel-Gymnasium Murrhardt

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Physikhausübung: Magnete & Elektrizität

Magnete & Elektrizität


Wirkung

Magnete wirken auf Körper, die ferromagnetische Stoffe, wie Eisen (lat. Ferrum) enthalten. Ein solcher Körper und ein Magnet ziehen sich an.


Eigenschaften

Jeder Magnet hat 2 Magnetpole: Nord- und Südpol. Ein Magnet ist ein Dipol. Wenn man ihn zerbricht, entstehen keine einzelnen Nord- und Südpole, sondern 2 neue Magnete, mit je einem Nord- und einem Südpol. Es gibt keine Monopole (Einzelpole). Die Pole sind farblich gekennzeichnet: Nordpol und Südpol.

Es gilt:

Gleichnamige Pole stoßen sich ab (N-N; S-S), ungleichnamige Pole ziehen sich an (N-S). Gleichnamige Pole können sich bei Berührung gegenseitig „aufheben“ (2Magnete ergeben zusammen 1neuen Magnet).


Magnete üben Kräfte aufeinander/auf ferromagnetische Körper aus, ohne Berührung. Je kleiner der Abstand, desto größer die Kraft (antiprop. Verhältnis). An den Magnetpolen ist die Wirkung eines Magneten besonders groß. Wirkt der Magnet auf einen ferromagnetischen Körper, so kann dieser Körper selbst zum Magnet werden. Man nennt diese Fernwirkung des Magneten magnetische Influenz.

Um die Magnetisierung zu beschreiben, verwenden wir das Modell der Elementarmagnete:



Ohne Elementarmagnete ist ein Stoff nicht magnetisierbar. Wird ein Stoff magnetisiert, so richten sich die Elementarmagnete passend aus:


                                                                                                                


Magnetisierung

Hält die Magnetisierung nur an, so lange der Magnet in der Nähe ist, spricht man von weichmagnetischen Stoffen. Bsp.: Eisen.                                 Hält die Magnetisierung an, auch nachdem der Magnet entfernt wurde, spricht man von hartmagnetischen Stoffen.

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Das Magnetfeld

Unsere Erde hat ein Magnetfeld. Dabei befindet sich der magnetische Südpol am geographischen Nordpol. Daher zeigen Kompassnadeln immer zum geographischen Norden, da der magnetische Nordpol vom der Kompassnadel vom dortigen magnetischen Südpol der Erde angezogen wird. Geographische und magnetische Pole liegen nicht genau aufeinander.

Daher kann es zu Abweichungen in der Anzeige eines Kompasses kommen. Man nennt dies Deklination (Missweisung). Das Erdmagnetfeld ähnelt dem Magnetfeld eines Stabmagneten. Dadurch ergibt sich eine weitere Abweichung in der Anzeige: die Inklination. Sie bezeichnet den Winkel zwischen Feldlinie und der Horizontalen.

Das Erdmagnetfeld verläuft nur am Äquator parallel zum Boden. Kompassnadeln sind jedoch im Allgemeinen parallel zum Boden ausgerichtet und haben daher für großes           Probleme bei der Ausrichtung nach Norden (geo).                                                                                                                                                Unser Magnetfeld schützt uns vor dem Sonnenwind (geladene Teilchen mit hoher Energie).


Eine Magnetnadel (Kompass) richtet sich im magnetischen Feld entlang gedachter Linien aus. Diese Linien bezeichnet man als magnetische Feldlinien.

Die Richtung der Feldlinien verläuft von Nord- zum Südpol. Magnetfeldlinien schneiden sich nicht. Durch jeden Punkt des Magnetfeldes verläuft eine Feldlinie, wir zeichnen aber nur einige Vertreter ein, um den Verlauf des Magnetfeldes modellhaft darzustellen. Das Feld füllt den Raum (3D). Dort wo Feldlinien enger beieinander liegen ist das Magnetfeld stärker.


Energie

Im Magnetfeld ist Energie gespeichert.



Atombau

Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Hülle. Die Bestandteile des Kerns nennt man allgemein Nukleonen (lat. nucleus=Kern). Sie unterteilen sich in Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral, also nicht geladen).


In der Hülle sind Elektronen (negativ geladen). Elektronen haben eine sehr geringe Masse im Vergleich zu Protonen und Neutronen.

-> Die Elektronenhülle macht das Volumen, der Kern die Masse des Atoms aus.

Da Elektronen e     und Protonen p geladen sind und Neutronen n nicht geladen sind, nennt man e    und p Elementarladungen.



Atome sind nach außen elektrisch neutral, da sie gleich viele Elektronen wie Protonen haben. Ändert sich dieses Verhältnis erhält man ein geladenes Atom (Ion).                                                                                                                                                


Um Körper elektronisch aufzuladen, muss man verschiedene Ladungen voneinander trennen. Bsp.: Kunststoffstab mit Baumwolltuch reiben. 1. e   und p bei Baumwolle getrennt                                                                                                       2. e   von Baumwolle auf Stab geladen                                                                            -> Stab: Elektronen Überschuss, also negativ                                                Baumwolltuch: Elektronen Mangel, also positiv


Ladungen

Ladungen wirken aufeinander über ein elektrisches Feld. Elektrische Feldlinien werden verwendet, um einen modellhaften Verlauf dieses Feldes zu skizzieren. Dabei können elektrische Ladungen auch als Monopole vorkommen.


Ladungsträger sind immer vorhanden auch wenn ein Körper nach außen elektrisch neutral ist. D.h. positive und negative Ladungen können sich gegenseitig ausgleichen. Elektronen sind frei beweglich, Protonen an die Materie gebunden.


Entnimmt man nun also einem Körper A mit Hilfe eines Körpers B Elektrizität, so gilt:                                                                                                                               - Körper A hat weniger e   wie vor dem Kontakt   -> Elektronenmangel                                                                                                                                                                                          -> Körper A ist positiv geladen

-Körper B hat mehr e   wie vor dem Kontakt                            -> Elektronenüberschuss                                                                                                                                                                                                                                                             -> Körper B ist negativ geladen


Ladungsmessung

Den Betrag einer Ladung kann man mit einem Elektroskop messen:


Faradayeffekt

Das Innere von Leitern trägt keine Überschussladung. Man nennt dies Faradayeffekt. Die Überschussladungen fließen nach außen ab (Abstoßung innen). Dies funktioniert auch, wenn der Körper nicht vollständig geschlossen ist (Faradayscher Käfig). Dies dient als Blitzschutz (Bsp.: Autos)


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