Inhaltsverzeichnis
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- Elektrischer Strom
- Elektrischer Stromkreis
- Wirkungen des elektrischen Stromes
- Wärmeleitung
- Magnetische Wirkung
- Elektrische Ladung
- Stromstärke und Spannung
- Elektrische Stromstärke
- Elektrische Spannung
- Elektrischer Widerstand
- Bewegung
- Geschwindigkeit
- Beschleunigung
- Kraft
- Masse
- Gewichtskraft
- Trägheitssatz
- Wechselwirkung von Kräften
- Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften
- Zusammensetzen
- Erste Möglichkeit
- Zweite Möglichkeit
- Zerlegen
- Schiefe Ebene
- Reibungskräfte
- Optik
- Ausbreitung des Lichts
- Schatten
- Reflexion des Lichts
- Lichtbrechung
- Optische Linsen
- Quellen
Elektrischer Strom
Elektrischer Stromkreis
Um ein elektrisches Gerät zu nutzen, muss man einen geschlossenen Stromkreis herstellen, indem man beide Anschlussstellen des Geräts mit Leitungen mit beiden Stromquellen, den Polen, verbindet. Es kann zusätzlich noch ein Schalter eingebaut werden.
Es gibt unterschiedlich gute Leiter. Zu den guten Leitern gehören Metalle (z.B. Kupfer, Silber, Eisen), Säuren und Salzlösungen; zu den schlechten unter anderem Glas, PVC und Porzellan.
Wirkungen des elektrischen Stromes
Wärmeleitung
Fließt durch einen Leiter elektrischer Strom, so erwärmt sih dieser.
Magnetische Wirkung
Ein stromdurchflossener Leiter wirkt wie ein Magnet. Dabei hat jeder Magnet einen Nord- und Südpol. Gleichartige Pole stoßen sich ab, während sich verschiedenartige gegenseitig anziehen. Eine Spule mit Eisenkern, durch die Strom fließt erzeugt magnetische Wirkungen wie ein Stabmagnet.
Elektrische Ladung
Körper können positiv oder negativ geladen sein. Dabei stoßen sich gleichartig geladene Körper ab, verschiedenartig geladene ziehen sich an.
Die Ladungen befinden sich in den Atomen eines Körpers. Diese haben einen positiven Kern, in dem Protronen sowie Neutronen ohne Ladung und eine negativ geladene Hülle, in der sich Elektronen befinden. Beim elektrischen Strom bewegen sich elektrische Ladungen. Je mehr Ladungen bewegt werden, desto größer ist die Stromstärke.
Stromstärke und Spannung
Elektrische Stromstärke
Je größer die Stromstärke ist, desto größer sind sowohl Wärmewirkung als auch magnetische Wirkung. Die Einheit für die Stromstärke ist
1 Ampere bzw. 1 A
Als Messgerät wird ein Amperemeter verwendet. Dies ist oft ein Drehimpulsinstrument, welches in den Stromkreis geschalten wird.
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung kennzeichnet die Stärke der Stromquelle. Mit dem Verbraucher bestimmt sie die Stromsärke. Die Einheit ist
1 Volt bzw. 1 V
Die Messgeräte (Voltmeter) werden parallel zum Stromkreis geschlossen. Werden mehrere elektrische Stromquellen so in Reihe geschalten, dass sich Plus- und Minuspol abwechseln, addieren sich ihre Spannungen.
Elektrischer Widerstand
In einem Stromkreis werden Spannung und Stromstärke gemessen. In einem Diagramm sieht das Ergebnis ungefähr wie eine Logarithmusfunktion aus. Das Verhältnis von Spannung und Stromstärke ergibt den elektrischen Widerstand, dessen Einheit ist
1 Ohm bzw. 1 Ω
Gute Leiter haben einen kleinen Widerstand, schlechte einen großen. Bei der Glühlampe nimmt der Widerstand mit größerer Spannung zu.
Bewegung
Geschwindigkeit
Bei einer gleichförmigen Bewegung sind die zurückgelegte Strecke s und die dafür benötigte Zeit t direkt proportional zueinander. Dabei gilt für die Geschwindigkeit v:
$$ v = \frac{s}{t} $$
Die Einheit wirdin der Regel in Metern pro Sekunde oder in Kilometern pro Stunde angegeben. Dabei gilt:
$$ \mathrm{1\,\frac{m}{s} = 3{,}6\,\frac{km}{h}} $$
Durch Umformungen kann man ermitteln, in welcher Zeit man eine gewisse Strecke zurücklegt oder wie weit man kommt, wenn man sich eine gewisse Zeit lang mit einer Geschwindigkeit bewegt:
$t = \frac{s}{v}\quad$
und
$\quad s = v \cdot t$
Beschleunigung
Bewegungen mit Geschwindigkeitsänderung heißen beschleunigte Bewegungen. Die Beschleunigung a ist der Quotient aus der Geschwindigkeitsveränderung Δv = v2 – v1 und der dafür benötigten Zeit Δt = t2 – t1:
$$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1} $$
Die Beschleunigung wird in der Regel mit Metern pro Sekundenquadrat angegeben:
$$ \mathrm{1\,\frac{m}{s^2}} $$
Kraft
Durch Krafteinwirkung können Körper verformt oder deren Geschwindigkeit in Größe oder Richtung geändert werden. Eine Kraft ist gekennzeichnet durch Angriffspunkt, Richtung und Betrag. Kräfte werden durch Kraftpfeile dargestellt. Die Einheit ist
1 Newton bzw. 1 N.
Zur Kraftmessung wird die Verformung einer Schraubenfeder genutzt, wobei die Kraft F und die Verlängerung s direkt proportional zueinander sind.
Masse
Die Masse m wird zum Festlegen einer Stoffmenge benutzt. Durch sie ist ein Körper träge und schwer. Massen sind ortsunabhängig und werden mithilfe von Balkenwaagen und einem Wägesatz bestimmt.
Einheit: 1 Kilogramm bzw. 1 kg
Gewichtskraft
Die Gewichtskraft G gibt an, wie stark ein Körper in Richtung Erdmittelpunkt gezogen wird. Zwischen der Gewichtskraft G und der Masse m gibt es folgenden Zusammenhang:
$$ G = m \cdot g $$
Dabei ist g ortsabhängig und heißt deshalb Ortsfaktor. In Mitteleuropa beträgt er $g = \mathrm{9,81\,\frac{m}{s^2}}$. Am Äquator ist der Wert um circa 0,3 kleiner und an den Polen ungefähr 0,2 größer.
Alle Körper ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehung nennt man Gravitation.
Trägheitssatz
Jeder Körper ist aufgrund seiner Masse träge, d.h. wenn keine Kraft wirkt, behält ein Körper seinen Zustand bei. Deshalb sind Kräfte notwendig, um zu beschleunigen und zum Ändern der Richtung, in die die Kraft wirkt.
Wechselwirkung von Kräften
Übt ein Körper auf einen zweiten eine Kraft F1 aus, so wirkt vom zweiten auf den ersten eine Kraft F2, die gleich groß, aber entgegengesetzt ist. Die Wechselwirkung ist die Ursache für den Rückstoß, der z.B. beim Werfen auftritt. Man spricht deshalb auch von „actio und reactio“.
Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften
Zusammensetzen
Erste Möglichkeit
Gehen F1 und F2 in die gleiche Richtung, ist der Betrag der Ersatzkraft F so groß wie die Summe der Teilkräfte.
Zweite Möglichkeit
Gehen F1 und F2 in verschiedene Richtungen, ist die Ersatzkraft F die Diagonale des Kräfteparallelogramms, das durch die zwei Kräfte aufgespannt wird. Damit ist der Betrag der Ersatzkraft kleiner.
Zerlegen
Eine Kraft kann in zwei Teilkräfte zerlegt werden, indem man ein Kräfteparallelogramm zeichnet:
Schiefe Ebene
Dabei ist FH die Hangabtriebskraft und FN die Normalkraft. Es gilt
$$ \frac{F_H}{G} = \frac{h}{l} \;\Rightarrow \; F_H = \frac{h}{l} \cdot G $$
Reibungskräfte
Bei jeder Art von Bewegung sind Reibungskräfte vorhanden. Man unterscheidet Haftreibung, wenn z.B. ein Rad rollt, und Gleitreibung, wenn dieses blockiert. Dabei ist die Haftreigung größer.
Die Reibungskräfte können durch rauere Flächen vergrößert und durch Ölen oder durch Kugellager verringert werden. Für die Größe der Reibungskraft ist bei waagrechter Unterlage die Größe der Gewichtskraft entscheidend, bei einer schiefen Ebene die Größe der Normalkraft. Es gilt:
$$ F_R = f \cdot F_N $$
Dabei ist f die Reibungszahl. Beispielsweise besitzt trockener Asphalt eine Reibungszahl f = 0,6.
Optik
Ausbreitung des Lichts
Lichtabgebende Körper heißen Lichtquellen. Man unterscheidet zwischen natürlichen und künstlichen Lichtquellen sowie zwischen selbstleuchtenden und bestrahlten Körpern.
Licht breitet sich geradlinig aus. Durch Blenden kann ein Lichtbündel erzeugt werden; enge Lichtbündel sind Lichtstrahlen.
Schatten
Wird ein undurchsichtiger Körper beleuchtet, entsteht ein Schatten. Gibt es zwei Lichtquellen und entstehen Bereiche, in die je nur eine Quelle leuchtet, spricht man von Halbschatten. Der Bereich, in dem kein Licht kommt ist dann der Kernschatten.
Reflexion des Lichts
Trifft Licht auf einen Körper, wird es teilweise absorbiert und der Rest reflektiert. Man unterscheidet die gerichtete Reflexion (Spiegel) und die ungerichtete Reflexion (Körper mit rauer Oberfläche).
Der einfallende Strahl, der Lot und der reflektierte Strahl liegen auf einer Ebene. Der Einfallswinkel α ist so groß wie der Reflexionswinkel α'.
Lichtbrechung
Licht wird beim Übergang von einem durchsichtigen Körper in einen anderen durchsichtigen Körper in seiner Ausbreitungsrichtung geändert. Dies ist die Lichtbrechung.
Geht Licht von einem optisch dünneren Stoff in einen optisch dichteren Stoff über, wird es zum Lot hin gebrochen.
Optische Linsen
Linsen sind durchsichtige Körper, die Oberflächen besitzen, die Teile einer Kugeloberfläche sind. Es gibt Sammel- und Zerstreuungslinsen, die das Licht zu bzw. von einem Punkt (weg)lenken.
Quellen
- Optik
- ↑elmar-baumann.de