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| − | ==Eigenschaften von schwerer, elektrischer und magnetischer Wechselwirkung== | + | {| |
| − | [[Datei:Wechselwirkung_Fernwirkung.png|thumb]] | + | |height="1100px"| |
| − | [[Datei:Wechselwirkung_Wechselwirkung.png|thumb]] | + | |}__NOTOC__ |
| − | Zwei Gegenstände können eine Wechselwirkung aufeinander ausüben.
| + | ==Praktikum elektrische Schaltungen== |
| − | Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie aufeinander [[Kraft_und_Impuls|Kräfte ausüben und Impuls austauschen]]. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.
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| | + | ;Material für alle Aufgaben: |
| | + | *1 Netzgerät bis 12V Spannung |
| | + | *2 Kabel |
| | + | *1 Steckplatte |
| | + | *2 Lämpchen |
| | + | *2 Schalter |
| | + | *10 Brückenstecker |
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| | + | <math>\qquad</math> |
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| | + | [[Datei:Praktikum Schaltungen STROMKREIS MATERIAL klein.jpg|300px]] |
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| | + | [[Datei:Schaltplan Stromkreis mit Lämpchen und Spannungsquelle.png|250px]] |
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| − | Offensichtlich besteht eine Wechselwirkung zwischen jeweils passenden ähnlichen Eigenschaften von Gegenständen. Es gibt drei verschiedene physikalische Eigenschaften, die Wechselwirkungen hervorrufen<ref>Außerdem gibt es noch die starke und die schwache Wechselwirkung. Meistens wird die elektro-magnetische WW nur als eine WW gezählt, dann sind es 4 WW. Die starke WW ist unter anderem dafür verantwortlich, dass die Atomkerne zusammenhalten. Die schwache WW ist beim radioaktiven Zerfall von Bedeutung.</ref>.
| + | ;A1 Zwei Lämpchen schalten |
| | + | Baue einen Stromkreis mit zwei Lämpchen auf, so dass |
| | + | :a) beide Lämpchen '''mit einem Schalter''' ein- und ausgeschaltet |
| | + | :b) beide Lämpchen '''mit zwei Schaltern''' getrennt geschaltet werden können. |
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| − | '''1)''' Die (schwere) Masse (<math>m</math> in Kilogramm, <math>\rm kg</math>)
| + | Zeichne zu beiden Fällen einen Schaltplan ins Heft. |
| − | :Alle Gegenstände mit einer (schweren) Masse , werden gegenseitig angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)
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| − | '''2)''' Die elektrische Ladung (<math>Q</math> in "Coulomb", <math>1\,\rm C=1\,\rm A\,s</math>), die positiv oder negativ sein kann. | + | ;A2 UND-Schaltung |
| − | :Elektrisch gleichnamige Gegenstände werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero und homophob<ref>Siehe [http://de.wikipedia.org/wiki/Homophobie Wikipedia: Homophobie]</ref> ." ;) | + | :a) Baue eine Schaltung mit einem Lämpchen und zwei Schaltern S1 und S2 auf, so dass das Lämpchen nur leuchtet, wenn S1 '''und''' S2 geschlossen sind. |
| | + | :b) Zeichne den Schaltplan. |
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| − | '''3)''' Die magnetische Ladung<ref>Die magnetische Ladung wird auch als [http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostatik Polstärke <math>p</math>] bezeichnet.</ref> (<math>Q_m</math> in "Weber", <math>1\,\rm Wb=1\,\rm V\,s</math>), die Nordpol- oder Südpolladung sein kann. | + | ;A3 ODER-Schaltung |
| − | :Die Enden zweier Gegenstände mit gleichnamigen magnetischen Ladungen werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. | + | :a) Baue eine Schaltung mit einem Lämpchen und zwei Schaltern S1 und S2 auf, so dass das Lämpchen nur leuchtet, wenn S1 '''oder''' S2 geschlossen ist.<ref>Auch wenn beide Schalter geschlossen sind, darf die Lampe leuchten. Man nennt das ein '''einschließendes oder'''. Beispiel: "Wenn ich von Oma oder meinen Eltern 100€ geschenkt bekomme, dann kann ich mir neue Schuhe kaufen." Wenn ich also von beiden Geld bekomme, dann reicht es auf jeden Fall.<br>Im Alltag verwendet man häufig auch ein ausschließendes oder, bei dem nicht beide Fälle gleichzeitig auftreten: "Ich komme heute Abend mit dem Rad oder mit dem Bus." Man wird also nicht mit dem Rad und mit dem Bus gleichzeitig kommen, das schließt sich aus.</ref> |
| | + | :b) Zeichne den Schaltplan. |
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| − | *Die Wechselwirkung ist umso größer, je größer die Massen, die elektrischen oder die magnetischen Ladungen sind.
| + | ;A4 Zusatzaufgabe Die WECHSEL-Schaltung |
| − | :Zwei ungleichnamige elektrische oder magnetische Ladungen schwächen sich in ihrer gemeinsamen Wirkung. | + | Eine WECHSEL-Schaltung besteht ebenfalls aus einer Lampe und zwei besonderen Schaltern mit drei Anschlüssen. Hier kann man aber von jedem Schalter aus die Lampe ein- oder ausschalten (Bsp. Mehrere Lichtschalter im Zimmer). |
| − | *Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.
| + | :a) Wie sieht so eine Wechselschaltung aus? Überlege mit einer Skizze. |
| | + | :b) Holt euch für diesen Versuch zwei WECHSELSCHALTER aus dem Schrank und baut eure Schaltung auf. |
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| − | | + | Auf [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/einfache-stromkreise/aufgaben/wechselschaltung-animation dieser Seite] könnt ihr die Lösung nachschlagen. |
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| − | ====Ladungsträger im Atommodell====
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| − | <gallery widths=200px heights=130px perrow=3>
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| − | Bild:Festkörper_Isolator.png|Das Modell eines Isolators.
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| − | Bild:Festkörper_Leiter.png|Das Modell eines Leiters.
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| − | Bild:Festmagnet_Weiss-Bezirke_unmagnetisch.png|Das Modell eines magnetisierbaren Gegenstandes.
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| − | *Ein Atom besteht aus einem "festen" Kern aus Protonen und Neutronen mit "weicher" Elektronenhülle. (Entscheidend ist der Energieaufwand!)
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| − | *Alle Materiebausteine tragen schwere Ladungen (Masse).
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| − | *Protonen tragen positive Ladung und Elektronen negative Ladung.
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| − | *Manche Atome (Fe, Co, Ni) oder Legierungen sind durch die Art ihrer Elektronenhülle ein kleiner Magnet/magnetischer Dipol. (Tragen sowohl Nord- als auch Südpolladung.)<ref>Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Dauermagnet#Dauermagnetmaterialien Dauermagnetmaterialien] <br>[http://www.heise.de/tp/artikel/26/26091/1.html IBM sucht die Super-Festplatte] Artikel bei heise online über eine "Super-Festplatte", welche die Magnetisierung einzelner Eisenatome zur Datenspeicherung verwendet. <br/> [http://www.ssc.rwth-aachen.de/index.php?menuID=3 Schöne Bilder von atomarer Magnetstruktur] (Prof. Dr. rer. nat. Dronskowski (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen))</ref>
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| − | *In Festkörpern sind die Atome nur schwer verschiebbar, oft in einer regelmäßigen Kristall-Struktur.
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| − | *Die äußere Elektronenhülle ist bei manchen Festkörpern ("Leiter") "leicht" verschiebbar, bei anderen ("Isolator") nicht.
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| − | *Die atomaren Magnete sind je nach Art des Festkörpers mehr oder weniger leicht auszurichten.
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| − | ====Entstehung der Ursachen / Ladungen====
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| − | <gallery widths=200px heights=200px perrow=3 >
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| − | Bild:Ladungsverschiebung.png|Elektronen sind vom oberen auf den unteren Gegenstand gebracht worden.
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| − | Bild:Ladungsverschiebung_einfach.png|Dadurch ist der obere Gegenstand positiv, der untere negativ geladen.
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| − | Bild:leer.jpg
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| − | Bild:Festmagnet_Weiss-Bezirke_magnetisch.png|Bei einem Festmagneten sind die atomaren Magnete überwiegend gleich ausgerichtet.
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| − | Bild:Festmagnet_vollständig_magnetisiert.png|Dieser Festmagnet ist sogar vollständig magnetisiert.
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| − | Bild:Festmagnet_mit_Ladungen.png|Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.
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| − | Bild:Elektret teilweise polarisiert.png|Bei diesem Elektret<ref>Elektrete sind das elektrische Analogon zu Magneten. Sie enthalten atomare elektrische Dipole, die dauerhaft in eine bestimmte Richtung zeigen können. Dadurch entstehen an den Rändern Polarisationsladungen. (Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Elektret Elektret]) Hauptanwendung ist die Herstellung von Elektretmikrophonen. (Siehe Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Elektretmikrofon Elektretmikrophon])</ref> sind die atomaren Dipole überwiegend gleich ausgerichtet.
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| − | Bild:Elektret vollständig polarisiert.png|Dieser Elektret ist sogar vollständig polarisiert.
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| − | Bild:Elektret mit Ladungen.png|Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.
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| − | *Um einen Gegenstand elektrisch zu laden kann man elektrische Ladungen verschieben, man kann sie nicht erzeugen.
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| − | *Um einen Gegenstand zu magnetisieren, muss man seine atomaren Magnete ausrichten.
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| − | **Bei der Magnetisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel Nordpol- wie Südpolladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
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| − | **Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Magnete eines magnetisierbaren Gegenstandes beweglich.
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| − | *Um einen Gegenstand zu polarisieren, muss man seine atomaren elektrischen Dipole ausrichten.
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| − | **Bei der Polarisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel positive wie negative Ladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
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| − | **Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Dipole eines polarisierbaren Gegenstandes beweglich.
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| − | *Bringt man positive und negative Ladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
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| − | *Bringt man Nordpolladung und Südpolladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
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| − | *Ein Gegenstand mit ebensoviel positiver wie negativer Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.
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| − | *Ein Gegenstand mit ebensoviel Nordpol- wie Südpol-Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.
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| − | ====Vergleiche====
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| − | =====Stärke=====
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| − | Im Alltag ist die magnetische Wechselwirkung am stärksten. Schon kleine Magnete werden mit großen Kräften zusammengezogen. Elektrische Kräfte, wie zwischen zwei geriebenen Luftballons sind verhältnismäßig klein.
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| − | Erst bei großen Massen wie der Erde ist die schwere Wechselwirkung deutlich spürbar.
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| − | *Es gibt keine negative Massen.
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| − | *Die meisten Gegenstände enthalten fast gleichviel positive und negative elektrische Ladung. (Weil gleichnamige Ladung voneinander abgestoßen wird, ist es schwer elektrische Ladung anzuhäufen.)
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| − | *Alle Gegenstände enthalten gleichviel Nord- und Südpolladung.
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| − | Im Gegensatz zur elektrischen Ladung kann man von schwerer Masse ganz viel anhäufen. In einem großen Abstand wirkt daher nur noch die Gravitation von massereichen Gegenständen, wie Erde, Mond oder Sonne. Bei einem Magnet heben sich in größerer Entfernung die Wirkung der beiden Pole auf.
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| − | =====Beweglichkeit/Magnetisierung/Polarisierung/Influenz<ref>Die Begriffe Influenz und Polarisierung beschreiben die Veränderung eines Gegenstandes in der Nähe von elektrischen oder magnetischen Ladungen. Man kann also von elektrischer oder magnetischer Polarisation/Influenz sprechen. Bei Magneten hat sich zusätzlich der Begriff der Magnetisierung eingebürgert. Von "Elektrisierung" dagegen spricht man im physikalischen Sinne nicht. Dieser Begriff wird eher umgangssprachlich für eine Verschiebung der elektrischen Ladung benutzt.</ref>=====
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_1.png|'''Magnetisierung (magnetische Influenz):''' Ein unmagnetischer aber magnetisierbarer Gegenstand.
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_2.png|Wird in der Nähe eines Südpols magnetisiert.
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| − | Bild:Influenz_magnetisch_3.png|Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_1.png|'''Verschiebungspolarisation (elektrische Influenz):''' Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_2.png|polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_3.png|Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.
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| − | Bild:Influenz_Wasser_1.png|'''Orientierungspolarisation (elektrische Influenz):''' Haben die Moleküle einen elektrischen Dipol (zB Wasser)...
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| − | Bild:Influenz_Wasser_2.png|so werden die Moleküle gedreht.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_3.png|Nach Außen ergibt sich das gleiche Ergebnis wie bei der Verschiebung der Elektronenhüllen.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_1.png|'''Ladungsverschiebung (elektrische Influenz):''' Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_2.png|Ladungen verschoben.
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| − | Bild:Influenz_elektrisch_Leiter_3.png|Der Gegenstand ist nicht polarisiert. <br>Es entsteht trotzdem ein elektrischer Dipol.
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| − | *Elektrische Ladung ist in einigen Stoffen sehr beweglich, in anderen nicht.
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| − | *Magnetische Ladung ist immer fest an den magnetisierten Gegenstand gebunden.
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| − | *In einem elektrisch neutralen Gegenstand werden in der Nähe eines elektrisch geladenen Gegenstandes die Ladungen verschoben. (elektrische Influenz)
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| − | *In einem magnetisierbaren Gegenstand werden in der Nähe einer magnetischen Ladung die atomaren Magnete ausgerichtet. (magnetische Influenz)
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| − | *Elektrische Ladungen lassen sich nur sehr schlecht speichern/anhäufen. Elektrische Ladungen lassen sich nur schwer trennen.
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| − | *Ein Gramm Kupfer hat eine positive Ladung von fast 3 Millionen Coulomb!
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| − | *Bei Nichtleitern gibt es keine frei beweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar.
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| − | ==Häufige Fehler==
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| − | *Die Magnetpole befinden sich an den Enden der Magnetisierung. Es ist sinnvoll diese farbig zu markieren. Häufig wird aber eine ganze Hälfte eines Permanentmagneten grün oder rot gezeichnet.
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| | ==Fußnoten== | | ==Fußnoten== |
| − | <references /> | + | <references> |
Eine WECHSEL-Schaltung besteht ebenfalls aus einer Lampe und zwei besonderen Schaltern mit drei Anschlüssen. Hier kann man aber von jedem Schalter aus die Lampe ein- oder ausschalten (Bsp. Mehrere Lichtschalter im Zimmer).
