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Projektwoche PhySek
Elektrizität Einführung In diesem Dokument findet Ihr eine kurze Zusammenfassung zum Thema Elektrizität. Alles was im Dokument steht, haben wir in den letzten Schuljahren zusammen bearbeitet. Ihr könnt es nutzten um eure Aufgaben in der Projektwoche zu lösen. Nützliche Formeln sind jeweils in den gelben Kasten zum jeweiligen Thema zu finden.
Elektrostatik Es gibt zwei Formen von elektrischer Ladung. Eine positive und eine negative. Ist ein Element positiv geladen zieht es das negativ geladenen Element an. Sind beide Elemente gleich geladen, so stossen sie sich gegenseitig ab.
Spannung und Stromstärke Wir stellen uns vor, dass bei der Herstellung einer Batterie ein Trennerli Elektronen vom Plus-‐ zum Minus-‐Pol transportiert und ihnen dabei elektrische Energie ihren Rucksack packt. Die elektrische Spannung U gibt an, wie viel elektrische Energie jedes Elektron in seinem Rucksack hat (siehe Bild unten). Dies heisst die Spannung wird angegeben mit der Energie über die Ladung und wird mit der Einheit Volt angegeben. Ein Volt (=V) bedeutet, dass jedes Elektron eine elektrische Energie von 1.6 *10-‐19 Joule besitzt. Desto kräftiger das Trennerli in der Batterie ist, desto mehr Energie kann es einem Elektron geben, daher desto höher ist die Spannung der Batterie.
Ein elektrischer Stromkreis entsteht, wenn der Plus-‐ und Minuspol einer Spannungsquelle mit einem Stromkreis verbunden werden. So können Elektronen wieder an ihren 1
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Ausgangsort zurückkehren, wobei aber unterwegs das Elektron seinen Rucksack leeren muss. Es gibt seine elektrische Energie an den Verbraucher, zum Beispiel eine Lampe ab. Interessant ist, dass wenn mehrere Verbraucher hintereinander geschaltet sind (Serienschaltung), gibt das Elektron jedem Verbraucher einen Teil seiner Energie ab, es leert also nicht schon beim ersten Verbraucher alles. Wenn die Verbraucher parallel sind (Parallelschaltung), bekommt jeder Verbraucher die ganze Energie. Also bei einer 4.5 V Batterie, bekommt jeder Verbraucher 4.5 V Energie. Serienschaltung: UTotal= U1 + U2
Parallelschaltung: UTotal= U1 = U2 Die Stromstärke I gibt an wie viel Elektronen pro Zeit durch einen Draht fliessen, also die Ladung über die Zeit, was mit der Einheit Ampere (=A) angegeben wird. Ein Ampere bedeutet, dass pro Sekunde eine Ladung von 1 Coulomb an einer bestimmten Stelle vorbeifliesst. Serienschaltung: ITotal= I1 = I2
Parallelschaltung: ITotal= I1 + I2
Batterie Die Batterie wurde von Alessandro Volta, welcher im 18 Jahrhundert lebt erfunden. Diese dient dazu elektrische Energie zu Speichern um diese anschliessend an einen Verbraucher weiterzugeben. Ein Beispiel ist die Zitronenbatterie. Ein Kupferblech und ein Zinkblech werden in eine Zitrone gesteckt und mit einem Messgerät oder einem Verbraucher verbunden. Dabei wird das Zink oxidiert: Zn→ Zn2+ + 2e-‐. und an der Kupferelektrode findet ein Reduktion statt von Säure Ionen: 2H+ +2e-‐ → H2. Das Zink stellt also den Minuspol dar, das Kupfer den Pluspol. Werden mehrere Schichten der Platten zusammengefügt, entsteht eine höhere Spannung.
Das ohmsche Gesetz Das ohmsche Gesetz zeigt folgenden Zusammenhang auf. Wird an ein Objekt eine elektrische Spannung angelegt, so verändert sich der hindurchfließende elektrische Strom in seiner Stärke proportional zur Spannung. Mit anderen Worten, der als Quotient aus Spannung und Stromstärke definierte elektrische Widerstand (R) ist konstant, also unabhängig von Spannung und Stromstärke. Die Einheit des elektrischen Widerstands wird in Ohm Ω angegeben. 2
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Ohmsches Gesetz: U=R*I Serienschaltung: RTotal= R1 + R2
𝟏
𝟏
Parallelschaltung: RTotal=( 𝐑𝟏 + 𝑹𝟐)-‐1
Elektrische Leistung Die Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie ein Verbraucher pro Zeit verbraucht, daher wie viel Energie er in zum Beispiel Wärme oder Licht umwandelt. Die Einheit kWh (Kilowattstunde) bezeichnet die Energie, somit ist 1kWh (=3.6 Millionen Joule) die elektrische Leistung, die ein Gerät mit einer Leistung von 1 kW in einer Stunde verbraucht. !
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Elektrische Leistung: P=U*I
Kondensator Ein Kondensator ist ein Ladungsspeicher. Sein Fassungsvermögen wird als Kapazität bezeichnet und in der Einheit Farad F angegeben. Ein Farad ist eine sehr hohe Kapazität, daher wird diese meistens in µF angegeben. Die Energie welche ein Kondensator speichern kann wird aus der Kapazität und der vorhanden Spannung berechnet. Ein Elektrolytkondensator besteht aus zwei dünnen Metallfolien, die durch ein mit einem Elektrolyten getränktes Papier getrennt und zusammengerollt sind. Elektrolytkondensatoren müssten richtig an Plus und Minus angeschlossen werden, sonst werden sie zerstört. 𝑸
Kapazität: C=𝑼
𝟏
Gespeicherte Energie: EKondensator = 𝟐 𝑪 ∗ 𝑼𝟐 Ein Kondensator und ein Lämpchen wird in einem Stromkreis parallel angeschlossen. Zusätzlich wird ein Schalter hinzugefügt, in dem entweder der Stromkreis mit der Stromquelle angeschlossen ist oder auch ohne. Zuerst wird nun der Kondensator mit Hilfe der Stromquelle geladen. Das Lämpchen brennt solange bis der Kondensator aufgeladen ist. Schaltet man nun die Stromquelle weg, brennt das Lämpchen solange bis der Kondensator entladen ist. Hier ist die Spannung des Kondensators die Spannung des Stromkreises.
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Elektromagnetismus 1820 entdeckte der Physiker Oersted, dass elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenkt und war somit der erste der einen Zusammenhang zwischen Magnete und Strom herstellte. Da das Magnetfeld schwach ist, braucht man ziemlich grosse Ströme um eine Wirkung zu erzielen. Um diesem entgegen zu wirken, kann der Draht zu einer Spule gewickelt werden mit einem Eisenkern darin. So entsteht ein Magnetfeld, welches durch die Spule hindurchgeht und aussen herum zieht. Dieses Magnetfeld zieht nun Metalle an. Sind also zum Beispiel bei einer elektrischen Klingel, der Stromkreisgeschlossen, entsteht ein Magnetfeld, welches den Metallstab anzieht und so ein Ton verursacht. Durch die Anziehung des Metallstabs wird der Stromkreis unterbrochen und dieser geht wieder zurück, sobald er zurück ist, wird der Stromkreis wieder geschlossen und es beginnt von vorne. Auch ein Elektromotor funktioniert mit dem Prinzip des Elektromagnetismus. Wenn ein Strom durch die Spulen fliesst entsteht ein Magnetfeld und der Dreharm beginnt im Uhrzeigersinn zu drehen. Sobald sich N-‐ und S-‐ Pole gegenüberstehen wir der Strom ausgeschaltet, die Spulen sind nicht mehr magnetisch und der Motor dreht mit Schwung weiter. Nach einer halben Drehung stehen sich N und N, bzw. S und S gegenüber, in dieser Stellung wird der Strom wieder eingeschaltet, die Pole stossen sich ab. Der Motor wird so immer eine halbe Drehung angetrieben läuft dann eine halbe Drehung mit Schwung. Das Ein-‐ und Ausschalten von Hand kann automatisiert werden, indem der Strom über das drehbare Aluminiumteil, das zur Hälfte mit Klebeband abgedeckt ist, geführt wird. Noch effizienter ist es, in der zweiten Hälfte der Drehung den Strom nicht auszuschalten, sondern in der andern Richtung fliessen zu lassen. Dadurch wird der Motor auch in der zweiten Hälfte der Drehung angetrieben. Die Umpolung geschieht über den Kommutator.
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