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Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина

Вид материалаУчебно-методический комплекс
Behandlung in den Naturwissenschaften.
Elektrische Energie.
Gewinnung elektrischer Energie.
Transport elektrischer Energie.
Elektrischer Strom.
I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i
Text 5. Magnetismus.
Magnetische Kraftwirkung.
Magnetische Energie.
Größen und Einheiten.
Beispiele für Magnetfelder.
National High Magnetic Field Laboratory
Magnetismus der Materie.
Magnetismus von Festkörpern.
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Behandlung in den Naturwissenschaften.

Die verschiedenen Phänomene der Elektrizität sind Betrachtungsgegenstände in Teilen der Physik und der Chemie:


Elektrische Energie.

Die elektrische Energie (W) berechnet sich als das Produkt aus elektrischer Spannung (U), Stromstärke (I) und Zeitdauer (t):




Gewinnung elektrischer Energie.

Bei der Gewinnung oder auch Erzeugung elektrischer Energie werden verschiedene der oben beschriebenen Phänomene genutzt, die nachfolgend entsprechend ihrer Bedeutung geordnet sind.

Der weitaus größte Anteil (mehr als 99,9%) des weltweiten (elektrischen) Energiebedarfs wird durch Generatoren in Kraftwerken erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche Energiequellen wie Kohle oder Uran zum Einsatz. Die verwendeten Generatoren sind vom Grundprinzip her identisch. Sie nutzen die elektrodynamische Induktion zur Ladungstrennung und damit zur Spannungserzeugung.

In Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen wird elektrische Energie aus chemischen Reaktionen gewonnen.

Die vergleichsweise junge Technologie der Photovoltaik nutzt mit Solarzellen den photoelektrischen Effekt.

Im magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) wird schnell strömendes ionisiertes Gas aus einem Verbrennungsprozess durch ein transversales Magnetfeld in positive und negative Teilchen getrennt (Lorentzkraft) und durch Elektroden aufgefangen.

Zwei exotische Methoden:

In Thermoelektrischen Generatoren (z. B. Isotopenbatterien) wird elektrische Energie mit Thermoelementen direkt aus Wärmeenergie gewonnen. Im Thermoionischen Generator emittiert eine heiße Metallfläche durch Glühemission Elektronen im Vakuum, die von einer Elektrode in geringem Abstand aufgefangen werden.


Transport elektrischer Energie.

Der Transport elektrischer Energie geschieht in den meisten Fällen durch die Bewegung von Elektronen in Festkörpern. Es werden dazu Leitungen aus Materialien mit einem geringen spezifischen Widerstand (meistens Metalle) verwendet. Kupfer und Silber gehören zu den besten Leitern, teilweise wird auch Aluminium wegen des geringeren Gewichtes verwendet. Durch den elektrischen Widerstand der Leitungen entstehen Leitungsverluste (Energieverluste) die umso höher sind, je höher die Stromstärke und je länger und dünner die Transportleitung ist. Bei höheren Spannungen kann die gleiche Energiemenge bei geringeren Stromstärken mit dünneren Drähten übertragen werden.

Die unvermeidbaren Verluste beim Transport können durch Verwendung von hohen Spannungen reduziert werden. Elektrische Hochspannungsleitungen werden z. B. mit Wechselspannungen im Bereich von 10 kV bis 380 kV betrieben. Zur Veränderung von Wechselspannungen werden Netztransformatoren eingesetzt. Da die Energie, die häufig in Kraftwerken erzeugt wird, teilweise recht weit von den Verbrauchern erzeugt wird, hat der Energietransport einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

In Festkörpern können sich nur die negativ geladenen Elektronen bewegen, die positiv geladenen Atomrümpfe verharren an ihren Plätzen. Die Erwärmung einer Leitung bewirkt einen höheren Widerstand, da die Atomrümpfe des leitenden Materials in Schwingungen geraten und die Bewegung der Elektronen behindert. Bei so genannten Supraleitern werden die elektrischen Leiter auf sehr niedrige Temperaturen gebracht, wodurch der Restwiderstand auf 0 Ohm sinkt. Dann kann der Strom ungehindert fließen.

Elektrischer Strom.

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden, meist sind das Coulomb- oder Lorentzkräfte. Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i oder auch als i(t) bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischer Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das A. Das Ampere ist SI-Basiseinheit.


Text 5.

Magnetismus.

Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das sich als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen wie z. B. in stromdurchflossenen Leitern äußert. Die Vermittlung dieser Kraft erfolgt über ein Magnetfeld, das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder das magnetische Moment von Elementarteilchen als Folge ihres Spins zurückgeführt werden. Der Magnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus, welcher eine der vier Grundkräfte der Physik repräsentiert.

Magnetfelder.

Magnetfelder gehören zur Kategorie der konservativen Kraftfelder.

Feldlinien.

Magnetische Feldlinien geben in jedem Punkt die Richtung des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses an. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen – magnetische Monopole sind zwar mathematisch denkbar, alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz. Somit ist das Magnetfeld quellenfrei.

Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren.

Magnetische Kraftwirkung.

Das magnetische Feld übt eine Kraft auf bewegte Ladungen aus, die so genannte Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes sowie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung.

Das magnetische Feld übt ferner Kräfte auf Magnete und magnetisierbare Körper aus. Im einfachsten Fall kann man diese Probekörper als magnetische Dipole beschreiben. Das Magnetfeld übt auf den Probekörper ein Drehmoment aus und richtet ihn tangential zu den Feldlinien aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Bei der Wechselwirkung zwischen zwei solchen Dipolen, beispielsweise zwei Stabmagneten, richten sich die beiden Magnete durch dieses Drehmoment zunächst parallel aus. Da sich ungleichnamige Pole anziehen und gleichnamige abstoßen, wenden die beiden Magnete dabei ungleichnamige Pole einander zu. In dieser Anordnung ziehen sich die beiden Magnete an. Ursache ist, dass die Anziehungskraft auf den zugewandten Pol des einen Magneten größer ist als die Abstoßung auf seinen abgewandten, da das Magnetfeld des anderen Magneten mit dem Abstand abnimmt. In der mathematischen Beschreibung der Kraft spielt daher der Gradient des Magnetfeldes eine Rolle.

Die Kräfte zwischen zwei Magneten lassen sich auch über die Betrachtung der Energie erklären, die das Magnetfeld darstellt. Danach wirken die Kräfte stets so, dass die Gesamtenergie des Feldes abnimmt, wenn die Magnete ihnen folgen würden.

Magnetische Energie.

Laut der Definition aus dem Schulphysikbuch gilt: „Besteht in einer Spule mit der Induktivität L ein elektrischer Strom der Stärke I, dann enthält ihr Magnetfeld Energie:

Es gilt: magnetische Energie


Größen und Einheiten.

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke H (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte B (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über einen materialabhängigen Umrechnungsfaktor miteinander verknüpft, der Permeabilität genannt wird.

Beispiele für Magnetfelder.

Das mit 0,000000001 Tesla (1 nT = 10 − 9T) derzeit schwächste Magnetfeld auf der Erde findet man in einem speziell abgeschirmten kubischen Gebäude der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin. Zweck des Kubus' ist die Messung der schwachen Hirnströme von Menschen.

Das intergalaktische Magnetfeld schätzt man auf weniger als 0,1 nT, das der Milchstraße auf 30 nT. Das Magnetfeld der Erde hat an der Oberfläche eine Stärke um 0,000'04 Tesla (40 µT = 400 mGs). Das Magnetfeld der Sonnenflecken liegt zwischen -1 mT und 1 mT (10Gs). Die Sättigungsmagnetisierung von Eisen beträgt ca. 2 Tesla.

Am National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) wird das mit 45 Tesla derzeit stärkste (stabile) Magnetfeld auf der Erde erzeugt. Mittels intensiver Laserstrahlung lassen sich sogar Magnetfelder von bis zu 34.000 Tesla erzeugen − allerdings nur für die extrem kurze Zeitspanne von etwa 10 Picosekunden.

Auf der Oberfläche von Neutronensternen, wie z. B. Pulsaren, herrschen dagegen typischerweise Flußdichten der Magnetfelder von 108 Tesla, bei Magnetaren, einer speziellen Sorte von Neutronensternen, sogar 1011 Tesla.


Elektromagnetismus.

Bei magnetischen Feldern handelt es sich um einen Effekt, der durch die Relativbewegung zwischen geladenen Teilchen entsteht. Er wird durch die Spezielle Relativitätstheorie beschrieben. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Für eine abstraktere Darstellung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik.

Ein Strom I, der durch einen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld (mit der magnetischen Flussdichte B), dessen Feldlinien kreisförmig um den Leiter herum verlaufen. Man kann sich dies mit der Rechte-Faust-Regel merken: der Daumen zeigt in Richtung von I, die übrigen Finger deuten ringförmige Magnetfeldlinien an.

Eine konstante Bewegung von Ladungsträgern bewirkt ein magnetisches Feld, das folgenden Regeln folgt:
  • für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Leiter wird so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die konventionelle/technische Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) anzeigt, dann zeigen die Finger die Richtung des entstehenden Magnetfeldes an;
  • für einen Kreisstrom gilt: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung der technischen Stromrichtung gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols. (Vgl. erste Regel: Daumen folgt der Leiterschleife, gekrümmte Finger überlagern zur Quelle des magnetischen Feldes/Nordpol);
  • eine andere Regel hierzu ist die so genannte Rechtsschraubenregel;
  • Messung von magnetischen Feldern ist u. a. mit Hallsonden möglich.

In elektrischen Leitern, die sich durch ein magnetisches Feld bewegen, wird eine Spannung und gegebenenfalls ein Stromfluss induziert.

Zeitlich veränderliche Bewegung von Ladungsträgern resultiert in einer differenzialen Veränderung im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Man spricht von elektromagnetischen Wellen wenn die Frequenz der Veränderung sich in gegebenen Medien ausbreitet. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzips. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Magnetismus der Materie.

Magnetisches Moment von Elementarteilchen.

Viele geladene Elementarteilchen besitzen ein charakteristisches magnetisches Moment . Es ist mit ihrem Spin verknüpft, den man im Rahmen eines vorstellbaren Bildes als Rotation der Teilchen um sich selbst interpretieren kann.

Magnetisches Moment von Atomen.

Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenhülle (Hüllenmoment), und dem im allgemeinen viel schwächeren Kernbeitrag (Kernmoment).

Zum Hüllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verknüpft ist, und das durch den Elektronenspin bestimmte Spinmoment bei. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen eines doppelt besetzten Orbitals ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine halbbesetzten Orbitale besitzen, kein permanentes Hüllenmoment aufweisen.

Das Kernmoment ist zwar sehr klein, es lässt sich aber dennoch nicht nur nachweisen (NMR, „Nuclear Magnetic Resonance“ = kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z. B. Kernspintomografie).

Magnetismus von Festkörpern.

Magnetismus von Festkörpern ist ein kooperatives Phänomen. Die makroskopische Magnetisierung setzt sich Additiv aus den Beiträgen der einzelnen Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, zusammen. Bei vielen Materialien haben bereits die einzelnen Bausteine kein magnetisches Moment. Allerdings weisen selbst von Materialien, deren Bausteine nicht verschwindende magnetische Momente tragen, nur wenige eine makroskopische Magnetisierung auf. Die Ursache ist, dass sich die einzelnen Bausteine in der Regel so anordnen, dass sich ihre Beiträge aufheben.

In Festkörpern können fünf Typen von Magnetismus auftreten:

Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Antiferromagnetismus.