Physik

Anna Heynkes, 1.10.2005

Gliederung

zum Text Die Physik als Wissenschaft
zum Text Was ist Strom?
zum Text Was ist elektrische Spannung?
zum Text Stromkreis
zum Text Experimentelle Hausaufgabe zu Elektromagneten
zum Text klassische Mechanik

Die Physik als Wissenschaft nach oben

Die Physik ist laut Meyers Lexikon die alle experimentell und messend erfassbaren sowie mathematisch beschreibbaren Erscheinungen und Vorgänge in der Natur erforschende Naturwissenschaft. Das Duden-Frendwörterbuch macht deutlich, dass es dabei um Aufbau und Bewegung der unbelebten Materie und um die Eigenschaften von Strahlung und Kraftfeldern geht. Unser neues Physikbuch (Metzler Physik) versucht sich mit folgender Definition der Physik: Die Physik erforscht mit experimentellen und theoretischen Methoden die messend erfassbaren und mathematisch beschreibbaren Erscheinungen und Vorgänge in der Natur, insbesondere die Zustände und Zustandsänderungen der unbelebten Materie sowie die Bewegungen und die Wechselwirkungen ihrer Bausteine, ohne dabei auf stoffliche Veränderungen dieser Materie einzugehen.

Weitergehende Betrachtungen zum besonderen Charakter der Physik und der Physiker hat mein Vater zusammen gefasst, der in einem medizinischen Forschungsprojekt intensiv mit Physikern gearbeitet hat. Für diesen Text ist er ganz allein verantwortlich!

Was ist Strom? nach oben

Strom ist eine Bewegung von Teilchen. Der Begriff elektrischer Strom wird in der Physik für die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen) in einem Leiter gebraucht. Strom bzw. die Stromstärke I (von Intensität) wird in Ampere gemessen. Außerdem wichtig im Zusammenhang mit dem Begriff Strom sind zwei weitere physikalische Größen: Spannung und Widerstand [1]. Die Spannung wird in Volt (V) gemessen [1,2] und gibt die Differenz von Elektronenmangel am Pluspol und Elektronenüberschuss am Minuspol an [2]. Der elektrische Widerstand eines Leiters bestimmt die Stromstärke bei einer gegebenen Spannung [3]. Der elektrische Widerstand ist also das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke [3]. Er wird in Ohm gemessen und ist definiert im Ohmschen Gesetz [3]:

Ohmsches Gesetz:
In einem ohmschen Leiter sind Spannung und Stromstärke proportional zu einander. Der Proportionalitätsfaktor ist der ohmsche Widerstand [3].

Quellen:
1. (http://de.wikipedia.org/wiki/Stromst%C3%A4rke)
2. (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201101.htm)
3. (http://www.physik-lexikon.de/viewlexikon2.php?suchwort=elektrischer%20Widerstand)

Was ist elektrische Spannung? nach oben

Technische Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite befindet sich der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen, auf der anderen Seite der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge bzw. die Kraft die auf freie Elektronen (in einem Leiter) wirkt nennt man elektrische Spannung. Sie entsteht durch das Ausgleichsbestreben von elektrischen Ladungen. Entsteht eine Verbindung zwischen den beiden Polen der Spannungsquelle, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom. Wir unterscheiden zwei Arten von elektrischer Spannung: Spannungserzeuger (Spannungsquellen oder Netzspannung), die die Spannung Uges herstellen und Verbraucher (z.B. Widerstand R1 und R2), bei denen ein Spannungsabfall U1 und U2 entsteht.

Quelle:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201101.htm

Außerdem gibt es noch natürliche Spannungen, die sich z.B. bei Gewittern entladen. Die Gewitterwolke ist eine Spannungsquelle mit nur einem Pol, den anderen bildet die Erde.

Stromkreis nach oben

Will man einen Stromkreis aufbauen, braucht man eine Stromquelle (z.B. eine Batterie), einen Verbraucher (z.B. eine Glühbirne) und meistens auch einen Leiter (z.B. ein Kabel) von der Quelle zum Verbraucher, sowie einen Leiter vom Verbraucher zurück zur Quelle.

Experimentelle Hausaufgabe zu Elektromagneten nach oben

Aufgabenstellung:

Wir sollten einen nicht isolierten Draht mehrmals um einen Nagel wickeln und die Enden des Drahtes an eine Batterie anlegen. Danach sollten wir einen kleinen eisernen Gegenstand an den Nagel halten und beobachten was passiert.

Beobachtungen:

Ein dicker, vielfach mit einem unisolierten Draht umwickelter Nagel übte keine erkennbare Anziehungskraft auf einen sehr kleinen anderen Nagel aus. Als der Draht jedoch an eine Batterie angelegt wurde, ließ sich der kleine von der Spitze des großen Nagels ein wenig zur Seite ziehen. Zum Hochheben des kleinen Nagels reichte die Anziehungskraft nicht aus. Nachdem der Draht wieder von der Batterie gelöst war blieb keine erkennbare Anziehungskraft zurück. Nach mehrfacher Wiederholung dieses Experimentes reichte die Anziehungskraft dann doch aus, um den kleinen Nagel zu heben. Ohne den großen Nagel konnte die Drahtspule den kleinen Nagel auch dann nicht anheben, wenn sie an die Batterie angeschlossen war. Aber der große Nagel war am Ende der Experimentreihe auch ohne die Spule noch ein wenig magnetisch.

Erklärung:

Wenn sich zwei Eisennägel anziehen, dann kann dafür nur die magnetische Kraft verantwortlich sein. Alle anderen bekannten physikalischen Kräfte sind bei einer solchen Versuchsanordnung viel zu schwach, um beobachtet zu werden. Der Vergleich zwischen dem eigentlichen Experiment und den beiden Kontrollexperimenten ohne angeschlossene Batterie zeigt, dass die schwache magnetische Anziehungskraft zwischen den Nägeln nur bei angeschlossener Spannungsquelle meßbar war. Die elektrische Spannung zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Batterie ließ den Elektronenstrom durch den Draht vom Minuspol zum Pluspol wandern und dieser Stromfluß erzeugte offensichtlich ein Magnetfeld.

Dieser Effekt wurde schon ungefähr 1820 von dem dänischen Physiker Oersted beobachtet. Heute wissen die Physiker, dass sich um jeden fließenden elektrischen Strom herum ein magnetisches Feld aufbaut. Man kann die Kraftlinien dieses magnetischen Feldes mit einer Kompassnadel oder mit Eisenfeilspänen sichtbar machen. Sie bilden in sich geschlossene Kreise. Alle von einem kleinen Stück eines elektrischen Leiters gebildeten magnetischen Kraftlinien zusammen bilden eine Ebene, die senkrecht zu dem elektrischen Leiter steht. Würde man ein senkrecht hängendes Kabel, in dem die Elektronen von oben nach unten fließen, mit beiden Händen umfassen, dann würde der Nordpol einer zwischen den Schultern hängenden Kompaßnadel immer zur rechten Schulter zeigen. Leider wird die Sache dadurch etwas verwirrend, dass man vor der Entdeckung des Elektronenflusses die Richtung elektrischer Ströme so definierte, als flössen sie immer von Plus nach Minus. In Physikbüchern würde man deshalb bei diesem Bild den Stromfluß von unten nach oben zeichnen.

Das um einen stromdurchflossenen Draht herum aufgebaute Magnetfeld könnte allerdings keine Nägel anziehen, weil es kreisförmig ist und weder Nord- noch Südpol hat. Es wirkt deshalb nicht wie ein Stabmagnet. Biegt man jedoch einen stromdurchflossenen Draht zu einem möglichst engen Kreis, dann vereinigen sich im Inneren des Kreises die Magnetfelder aller Drahtabschnitte und alle zeigen in die selbe Richtung. Im Grunde bildet deshalb eine einzelne stromdurchflossene Drahtschlaufe einen allerdings sehr schwachen Stabmagneten. Bildet man mit einem stromdurchflossenen Draht nicht nur eine, sondern ganz dicht nebeneinander zwei oder drei Schleifen, dann verdoppelt oder verdreifacht sich die Stärke des Magnetfeldes. Das gilt allerdings nur dann, wenn der Draht isoliert ist. Andernfalls fließt ein Teil des Stromes nicht durch alle Wicklungen, sondern kürzt an den Kontaktstellen den Weg ab. Deshalb funktionierte das Experiment auch besser, als ich es mit einem lackierten Draht wiederholte.

Wickelt man einen nach Möglichkeit isolierten Draht um einen dicken Nagel und läßt dann einen elektrischen Strom durch die Drahtwicklungen fließen, dann bildet sich im Inneren der Drahtspule ein stabförmiges Magnetfeld, dem der Nagel ausgesetzt ist. Im Inneren des Nagels richten sich dadurch die winzigen Elementarmagneten aus und so wird der Nagel selbst zu einem Magneten, der das Magnetfeld der Spule verstärkt. Die Ausrichtung der Elementarmagneten scheint aber ein elastischer Vorgang zu sein, denn mit dem elektrischen Stromfluß verschwindet nicht nur das Magnetfeld der Spule, sondern auch der Nagel verliert den größten Teil seiner magnetischen Kraft. Die Magnetisierung des Nagels wird aber immer besser, wenn man das Experiment wiederholt. Offenbar werden immer mehr Elementarmagnete stabil und nicht nur vorübergehend ausgerichtet. In einem sehr starken Magnetfeld kann ein Eisennagel sogar zu einem relativ dauerhaften Magneten werden.

Mechanik nach oben

zum Text Kinematik
zum Text Dynamik

In diesem Kapitel fasse ich möglichst knapp zusammen, was ich in unserem Physikbuch (Metzeler Physik) im Kapitel Mechanik finde.

Die Mechanik ist das älteste Teilgebiet der Physik, soweit wir deren Geschichte heute kennen. Sie soll besonders gut in das physikalische Denken einführen. Innerhalb der Mechanik unterscheidet man die beiden Teilgebiete Kinematik und Dynamik. Die Kinematik untersucht, wie und nach welchen Regeln Bewegungen ablaufen. Die Dynamik beschäftigt sich damit, wie Kräfte Bewegungen verursachen.

Kinematik nach oben

Wenn es um eine Bewegung im Raum geht, dann interessiert den Physiker nicht die Form eines Körpers, sondern nur die Veränderung seines Ortes mit der Zeit relativ zu einem Bezugssystem. Als jeweiligen Ort des Körpers kann man seinen Schwerpunkt oder irgendeinen Punkt auf seiner Oberfläche annehmen. Hinsichtlich der Bewegungen interessieren weniger die erreichten Orte, sondern die in bestimmten Zeitspannen t (vom lateinischen Wort tempus für Zeit) zurückgelegten Strecken s (vom lateinischen Wort spatium für Weg). Die Bewegung eines Körpers wird durch die Angabe seines Weges s als Funktion der Zeit t beschrieben. Die Funktion s = s(t) heißt Zeit-Weg-Funktion. Für die Zuordnung von Zeit und Weg gibt es drei Methoden:

  1. durch eine Wertetabelle, die Zeit-Weg-Tabelle
  2. durch ein Diagramm, das Zeit-Weg-Diagramm
  3. durch eine Funktion, die Zeit-Weg-Funktion

Zu beachten ist bei Wertetabellen und Diagrammen, dass Messwerte immer mit zufälligen und meistens zusätzlich mit systematischen Messfehlern behaftet sind. Kleinere Abweichungen von der Ideallinie nach oben und unten sind daher kein Fehler oder Mangel, sondern ein Indiz für die Echtheit der Messwerte. Man kann die Genauigkeit von Messwerten durch eine Perfektionierung der Versuchsanordnung und eine möglichst häufige Wiederholung der Messung steigern. Zu einem physikalischen Experiment gehört aber immer auch eine genaue Analyse der zufälligen oder messtechnisch bedingten Fehler.

Die Zeit (t) und der Weg (s) sind physikalische Größen. Ihr Größenwert ist das Produkt aus Zahlenwert und Einheit (z.B.: Zahlenwert 2 · Einheit 1 Meter = Größenwert 2m). Die physikalische Größe Weg (s) besitzt neben ihrem Größenwert auch eine Richtung und wird daher mathematisch am besten als Vektor dargestellt. Im Gegensatz dazu besitzt die physikalische Größe Zeit (t) keine Richtung und ist daher mathematisch ausgedrückt ein Skalar.

In der Physik hat man sich 1960 auf ein System mit 7 physikalischen Grundeinheiten geeinigt und es Système International d´Unites (abgekürzt SI) genannt. Die Basiseinheiten werden als sogenannte Normale definiert, für deren Bestimmung ständig dem neuesten Stand der Technik angepasste Vorschriften und Verfahren festgelegt werden. Seitdem sind die Sekunde (t=1s) die Einheit der Zeit und das Meter (s=1m) die Einheit des Weges.

Eine Sekunde war bis 1960 definiert als 1/86400 des mittleren Sonnentages, also dem Jahresdurchschnitt der Längen der tatsächlichen Tageslängen. Das Problem dabei war, dass es einige Ungleichmäßigkeiten in den Bahnen von Sonne und Erde gibt, die eine genaue und konstante Bestimmung der Sekunde unmöglich machten. Seit 1967 ist eine Sekunde definiert als das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.

Die Grundeinheit Meter wurde 1791 von der französischen Nationalversammlung als der vierzigmillionste Teil der Länge des durch Paris gehenden Erdmeridians vorgeschlagen. 1889 wurde stattdessen 1 Meter als der Abstand zweier Striche auf dem bei Paris gelagerten Urmeter aus Platin-Iridium definiert. 1960 wurde dieser Maßstab durch eine abstrakte Wellenlängendefinition ersetzt. Seit 1983 ist 1 Meter druch die Strecke definiert, die Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.

Von den sieben physikalischen Grundgrößen werden alle anderen physikalischen Größen als Produkte oder Quotienten abgeleitet. Abgeleitete physikalische Größen sind die Geschwindigkeit mit der Einheit m/s sowie die Beschleunigung mit der Einheit m/s2.

Die theoretisch-physikalisch einfachste Bewegung ist die geradlinig gleichförmige, die allerdings wegen diverser Luft- Roll- und Reibungswiderstände, Turbulenzen, Fahrbahnunebenheiten und Kurven auf der Erde und wegen der Krümmung des Raums durch Gravitation sogar im All kaum realisierbar ist. Gäbe es das mathematische Ideal der geradlinig gleichförmigen Bewegung aber auch in der Realität und könnte man diese ohne jeden Messfehler vermessen, dann bliebe der Quotient aus der zurückgelegten Strecke und der dabei verstrichenen Zeit (Geschwindigkeit = Strecke / Zeit oder v = s/t, v vom lateinischen Wort velocitas für Geschwindigkeit) immer genau gleich. Trüge man die Messwerte in ein Koordinatensystem mit der Zeit auf der x-Achse und der Strecke auf der y-Achse ein, dann erhielte man eine vom Nullpunkt ausgehende Gerade, die umso steiler wäre, je höher die Geschwindigkeit wäre. So funktioniert das allerdings nur in Gedankenexperimenten, während reale Messungen der Geschwindigkeit immer zumindest leichte Abweichungen von der Ideallinie aufweisen. Die Messwerte streuen bei zufälligen Messfehlern etwas ober- und unterhalb der perfekten Geraden, oder sie weichen systematisch nach oben oder unten ab, wenn irgend etwas die Bewegung oder deren Messung auf nicht zufällige Weise gestört hat. Selbst in einem dreidimensionalen Koordinatensystem nicht gemeinsam mit der Zeit darstellbar ist die Richtung der Geschwindigkeit, die bei einer geradlinig gleichförmigen Bewegung genau wie die pro Zeiteinheit zurückgelegte Strecke konstant bleiben müsste. Unter Berücksichtigung der Richtung werden bei einer geradlinig gleichförmigen Bewegung in gleichen Zeitabschnitten Δt gleiche Wegstrecken Δs in gleicher Richtung zur├╝ckgelegt.

Mehr zum Verständnis von Durchschnittsgeschwindigkeit, Intervallgeschwindigkeit, Endgeschwindigkeit, Momentangeschwindigkeit und Beschleunigung gibt es in einer für mathematische Texte besser geeigneten pdf-Datei.

Dynamik nach oben

Wenn sich ein Körper bewegt und nicht durch Luftwiderstand, Rollwiderstand, ein Gummiband oder ähnliches abgebremst oder beispielsweise durch Seitenwind abgelenkt wird, dann bleiben Betrag und Richtung seiner Geschwindigkeit konstant. Ausgedrückt wird - in der Physik natürlich mathematisch - der Betrag der Geschwindigkeit als pro Zeiteinheit zurückgelegte Strecke z.B. in Metern pro Sekunde [m/s].

Wirkt aber eine Kraft (z.B. Erdanziehung oder elektrostatische Abstoßung) auf einen Körper ein, dann erfährt er eine Beschleunigung in Richtung der auf ihn wirkenden Kraft. Der Betrag der Beschleunigung entspricht der positiven oder negativen Änderung der Geschwindigkeit [m/s] pro Zeiteinheit [s]. Die Einheit oder Dimension der Beschleunigung ist daher eine Entfernung pro Zeiteinheit zum Quadrat [m/s2].

Das erste Newtonsche Gesetz definiert die physikalische Größe Kraft, indem es die auf einen Körper wirkende Kraft F mit dessen Beschleunigung a multipliziert mit seiner Masse m gleichsetzt: F = m • a. Dabei entspricht die Richtung der Beschleunigung genau der Richtung der Krafteinwirkung. Der Betrag der Kraft von 1 Newton ist definiert als die Kraft, die eine Masse von 1 kg pro Sekunde um die Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde beschleunigt. 1 Newton = 1kg • m / s2. Kennt man die Masse eines Körpers sowie die Größe der auf ihn wirkenden Kraft, dann lässt sich nach dem 1. Newtonschen Gesetz der Mechanik ausrechnen, wie sich seine Geschwindigkeit ändern wird.

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