E- und H-Felder (Berufsschule und BK)

Schnelle Übersicht:

• Themenübersicht
• Merkhilfe Technische Physik, BK
• Felder und Wellen
• Feldlinien, Feldformen
• E-Felder
• Kapazität
• Bewegung von Teilchen im E-Feld
• H(B)-Felder
• Kraft auf stromdurchflossene Leiter (Lorentzkraft)
• Bewegung von Teilchen im B-Feld
• Induktion der Ruhe und Bewegung
• Induktivität
• Klassenarbeiten, Übungsaufgaben

Die Physik ist die Grundlagenwissenschaft aller "Ingenieurwissenschaften". Jegliche Technik basiert auf den Grundlagenerkenntnissen der Physik. Elektrotechnik, Maschinenbau oder die EDV sind also die Umsetzung dieser Erkenntnisse in ein Gerät, eine Maschine, ein System. Die Physik wiederum bedient sich reichlich bei der Mathematik. Ohne Mathe und Physik gäbe es also unsere moderne Zivilisation nicht.

Was gibt's im Netz? Diese Seiten (und natürlich viele andere) sind einen Besuch wert: Welt der Physik

• Hundert Sekunden Physik  wenn's schnell gehen soll
• Welt der Physik   Solide Infoplattform
• Leifiphysik     Der Klassiker unter den Physik-Lernseiten
• Geogebra  Eigentlich eine "Mathe-Lernseite", allerdings mit vielen Anwendungen und Beispielen aus dem  Bereich Physik/Technik
• 3blue1brown  Das als Mathe-Lernseite zu bezeichnen, wäre untertrieben. Das muss man gesehen haben - von der Erklärung bis zur Visualisierung unglaublich gut.

Zusätzliche nützliche Formeln für den Bereich E-Lehre:

Was hält die Welt zusammen? Die Antwort ist einfach - es sind Feldkräfte. Ob Bindungen in Atomen oder Molekülen, immer beruht der Zusammenhalt der Materie auf elektrischen Feldkräften.
Was sind aber nun Felder? Wenn man es genauer betrachtet, wird es ziemlich kompliziert. Hier bleiben wir bei den einfacheren Erklärungen.
Ausgehend von statischen elektrischen und magnetischen Feldern über beschleunigte Ladungen (z.B. Wechselstrom), die veränderliche elektrische und magnetische Felder hervorrufen, behandelt der folgende Text auch noch ansatzweise die daraus resultierenden elektromagnetischen Wellen.
Schönen Dank an Maxwell, Hertz, Braun, Marconi, ...

Früher war man der Meinung, dass auch Elektromagnetische Wellen ein Medium benötigen um sich überhaupt ausbreiten zu können - ähnlich den Schallwellen. Dieses Medium stellte man sich fein verteilt im ganzen Universum vor und nannte es "Äther". Daher kommt auch noch die - heute nicht mehr so verbreitete - Redewendung, dass man etwas "in den Äther gesendet" oder etwas "aus dem Äther gefischt" hätte.
Gibt's nun den Äther oder warum nicht? Hier wird's erklärt.

Wie kann man sich die Ausbreitung dieser Wellen räumlich vorstellen? Die Animation zeigt den Verlauf der elektrischen (vertikal, senkrecht) und magnetischen (horizontal, liegend) Feldlinien.
Hinweis: Die Animation zeigt die "obere Hälfte" der Wellenausbreitung einer Dipolantenne. Man sieht also einen Querschnitt. Ein vollständiges Bild muss man sich nochmal gespiegelt nach unten vorstellen.

Auch bei Terra X, dem ZDF-Wissensmagazin gibt es eine gute Einführung zum Thema der "Funkwellen".

Bei den Demos zum Elektrischen Feld kann man beobachten, dass im Feld offenbar Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. 
Da man Felder ja nicht sehen kann, hilft man sich bei der Veranschaulichung mit so genannten Feldlinien. Welche Regeln beim Zeichnen von Feldlinien gelten und wie Feldlinienbilder zustande kommen, behandelt die folgende Einheit.
Außerdem: Homogen, inhomogen? Das gibt´s nicht nur bei Milch, sondern auch bei Feldern.

Einfache Übungen - Berechnungen im E-Feld:

Der Kondensator ist das Bauteil oder die Anordnung, die am stärksten mit E-Feldern "verbunden" ist. Was ist Kapazität? Welche Größen spielen für die Kapazität eine Rolle und wie sind sie proportional?
Was macht das Dielektrikum?
Fragen über Fragen ;-).

Eine nette Zusammenfassung findet sich auch hier:

Natürlich kann man auch Kondensatoren in Reihe oder parallel schalten. Sie verhalten sich allerdings anders als Widerstände... oder vielleicht genau wie Widerstände nur genau anders 'rum ;-).

Das Produkt von R und C ergibt die Lade/Entladezeitkonstante der Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator und die "klassische" exponentielle Kurve.
Bei geogebra gibt es eine schöne Simulation,die den Aufladevorgang darstellt. Hier können die Werte von R und C verändert und die Auswirkungen untersucht werden.

Übungsaufgaben (Quelle: Rechenbuch Elektrotechnik, EUROPA-Verlag)
zu den Themen 

• Schaltungen von Kondensatoren (reihe, parallel)
• Energie des Kondensators

Dass Ladungen in E-Feldern eine Kraft erfahren und beschleunigt werden, ist eine Grundtatsache. Daraus kann ein Maß für die elektrische Feldstärke abgeleitet werden (E=F/q).
In der folgenden Einheit (siehe Skript) werden zwei Situationen unterschieden:

1. Kraft auf Ladungen in Ruhe
2. Kraft auf bewegte Ladungen

Fall 2 ist komplexer und bietet viele schöne Möglichkeiten für Problemstellungen und Berechnungen ;-).

Ein populäres Beispiel von im E-Feld beschleunigten Ladungen, die einen Elektronentrahl formen, ist die alte "Braun'sche Röhre", auch technisch als "Kathodenstrahlröhre" bezeichnet, die bis vor ca. 20 Jahren der Standard-Monitor bei Computern oder Fernsehgeräten war. Heute zutage ist sie durch die verschiedenen Bauarten von Flachbildschirmen ersetzt worden.

Das folgende Video zeigt den prinzipielle Aufbau und erklärt die grundlegende Funktion:

Genauer wird es allerdings im schon oben verlinkten Wikipedia-Artikel erklärt. Dort ist auch der reale technische Aufbau beschrieben.
Wie kommt es aber, dass die Elektronen überhaupt Lust haben, das Material der Glühwendel zu verlassen? Eine Erklärung dazu findet sich hier.

Aufgaben:

1. Benenne und erkläre den Vorgang, bei dem die Elektronen in den freien Raum austreten.
2. Rufe den Artikel zur Braun'schen Röhre auf und lies den Abschnitt "Strahlerzeugung" durch.
3. Beschreibe knapp die Vorgehensweise zur Berechnung der Elektronengeschwindigkeit v und notiere das formelmäßige Ergebnis.
   (siehe S. 2 und 3 im Skript)

Hinweis:
Die klassische Formel zur Berechnung der kinetischen Energie W=1/2mv² gilt nur, wenn v<<c, also die Elektronengschwindigkeit v wesentlich kleiner ist als die
Lichtgeschwindigkeit c. Bereits ab Beschleunigungsspannungen von nur 1kV weicht diese Formel von der genauen relativistischen Formel ab. Eine gute Erklärung und ein aufschlussreiches Diagramm findet sich hier.

Wer bisher alles verfolgt und verstanden hat (soll's ja geben ;-), der findet hier eine gute und komprimierte Zusammenfassung:

Übungsaufgabe zum Coulomb'schen Gesetz
Zu beachten ist der Lösungshinweis der die Sache deutlich vereinfacht...
Lösungen:

Aufgabe 1: 0,898µN
Aufgabe 3: Q' = 0,5 Q
Aufgabe 4: r' = 1,4142 r

Elektrischer Strom und Magnetismus - zwei untrennbare Größen.
Eine allererste kurze Einführung gibt das folgende Video.

Entsprechend dem Elektrischen Feld gelten auch im Magnetfeld bestimmte Regeln für das Zeichnen von Feldlinien. Auch die Begriffe homogen und inhomogen begegnen uns hier wieder.
Das Einführungsthema wird anhand eines Buchauszugs (Fachkunde Elektrotechnik, EUROPA-Verlag) erarbeitet.

Beim Thema Magnetismus begegnen uns eine Reihe von neuen Größen, die teilweise etwas unanschaulich sind. Dazu passt das folgende Video perfekt - anders erklären wir es auch nicht an der Tafel ;-).
Allerdings ein Hinweis dazu:
Bei der Berechnung der Magnetischen Feldstärke H wird im Video die Feldlinienlänge der geschlossenen Feldlinien im Eisenkern genommen. Das stimmt, wenn die Spule eben zylinderförmig auf einem Eisenkern gewickelt ist. In unserem Fall haben wir ja ebenfalls nur die Zylinderspule betrachtet, wobei wir dann eben als die Feldlinienlänge die Länge der Feldlinien in der Spule ansetzen dürfen (homogener Bereich der Feldlinien). Dies entspricht  dann natürlich der Spulenlänge l selbst.
Alles klar oder verwirrt? Bei Fragen - fragen!

Aufgabe:

• Schaue das Video an
• Erstelle eine Tabelle der dort genannten magnetischen Grundgrößen mit den folgenden Spalten:
  - Bezeichnung der Größe
  - Formelzeichen und Einheit
  - Formel zur Berechnung der Größe (aus welchen Größen setzt sich diese Größe zusammen), evtl. kurze Erklärung dazu

Hier wird das Grundphänomen behandelt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft ausgeübt wird.
An drei Beispielen wird diese Kraftwirkung demonstriert:

Im letzten Teil der kleinen Serie wird der Aufbau eines einfachen Gleichstrommotors erklärt:

Aufgabe:
Erläutere, welches Problem sich bei Gleichstrom-Elektromotoren grundsätzlich mit Blick auf die gewünschte Drehbewegung ergibt. Erkläre, wie dieses Problem technisch gelöst wird.

Kraft auf stromdurchflossene Leiter, Teil 2

Nachdem die grundsätzlichen Zusammenhänge nun qualitativ klar sind (oder ;-)?), geht es jetzt an die quantitative Betrachtung, also Berechnung.
Kurze Zusammenfassung:

• Auf stromdurchflossene Leiter wird eine Kraft ausgeübt.
• Die Kraftwirkung ist maximal, wenn die Feldlinien senkrecht (90°) auf der Stromrichtung (also dem Leiter) stehen.
• Die Kraftwirkung ist null, wenn die Feldlinien parallel zum Leiter verlaufen (0°)
• Dazwischen (Winkel zwischen 0°... 90°) lässt sich die Kraftwirkung über den Sinus des Winkels berechnen.
• Die Höhe der Kraft ist von der Stromstärke, der Stärke des B-Feldes sowie der Länge des Leiterabschnittes abhängig, der dem B-Feld ausgesetzt ist ("wirksame Leiterlänge"),
• Bei stromdurchflossenen Spulen mit rechteckigen Querschnitten, bei denen die  Feldlinien senkrecht durch den Spulenkörper hindurch treten, stehen jeweils zwei der 4 Seiten senkrecht auf den Feldlinien und zwei liegen parallel dazu.
  Daher liefern nur die beiden senkrecht ausgerichteten Spulenseiten einen Kraftbetrag.
• Die Anzahl der "wirksamen" Leiter N ist daher in diesem Fall:
  N = 2 x n (n = Anzahl der Windungen).
• That's it ;-).
• Anmerkung: So einfach geht das nur bei rechteckigen Spulen.
  Bei runden Spulenkörpern kann man die Berechnungen nur über Integrationen durchführen. Das bleibt uns hier erspart.

Auch in Bereichen, wo man eher denkt, dass nichts Neues mehr zu erwarten ist, kann es noch zu überraschenden Entdeckungen kommen. Forscher der ETH Zürich haben eine neue Form des Magnetismus vorhergesagt.

Das nächste Thema behandelt das Phänomen der Induktion, d.h. die Tatsache, dass ein sich änderndes Magnetfeld in einer Leiterschleife einen Stromfluss erzeugt. Dies haben wir ja bereits bei den Demos am Versuchswagen sehen können.
Eine Magnetfeldänderung (Änderung des magnetischen Flusses) gegenüber einer Leiterschleife oder Spule ist auf zwei Arten möglich:

1. Das Magnetfeld selbst ist konstant und ruht. Die Leiterschleife/Spule wird im Magnetfeld bewegt > Induktion der Bewegung.
2. Das Magnetfeld ändert sich in seiner Stärke aufgrund einer Stromänderung, die Leiterschleife/Spule ruht > Induktion der Ruhe, auch Trafoprinzip.

Hinweis: Das folgende Arbeitsblatt bezieht sich auf das entsprechende Kapitel zum Thema Induktion im Buch "Fachkunde Elektrotechnik"  (EUROPA-Verlag).

Hier noch ein Leittext zum Thema Induktion der Ruhe und Bewegung, mit Übungs- und Wiederholungsaufgaben dazu.

Herleitung des Induktionsgesetzes
Als letztes Kapitel steht nun noch die genaue Untersuchung des Phänomens der Induktion in Form der Herleitung des Induktionsgesetzes an, ebenfalls ergänzt durch Aufgaben zum Thema.

Praktische Beispiele für die Anwendung des Induktionsprinzips

Übrigens - die berührungslose Messung der Stromstärke mit der Stromzange beruht ebenfalls auf dem Prinzip der Induktion.
Eine weitere praktrische Anwendung des Prinzips der induktiven Energieübertragung ist das "induktive Laden" von Fahrzeugen. Im Gegensatz zum "konduktiven Laden" - also dem Laden mit Steckern, geschieht dies berührungslos - eben induktiv, wie die Ladepads bei Smartphones.
Aus verschiedenen Gründen hat sich die Technik allerdings nicht durchgesetzt, was in diesem Heise-Artikel nachzulesen ist.

Was beim Kondensator die Kapazität ist, findet bei Spulen seine Entsprechung in der Induktivität. Während der Kondensator Energie im elektrischen Feld speichert, "macht" die Spule das im magnetischen Feld.
Die Formeln zur Berechnung der jeweiligen Speicherkapazität sind sehr ähnlich aufgebaut. In beiden Fällen treten mechanische Größen (Abstände, Längen. Flächen, Durchmesser) und Naturkonstanten auf (µ, ε).

Die Klassenarbeiten bilden den Verlauf des Unterrichts ab:

1. KA: Physikalische  Grundlagen, Ladung, Spannung. Strom, Energie-Erhaltungssatz (EES)
2. KA: Berechnungen an einfachen Stromkreisen, Ohm´sches Gesetz, Grundschaltungen
3. KA: Elektrostatik, E-Felder
4. KA: Elektro-Magnetismus. Magnetfelder

Klassenarbeiten zum Thema Grundlagen

Hinweis: Bei diesen beiden Arbeiten ist noch eine Aufgabe zum Thema Ohmsches Gesetz/Schaltungsarten dabei. Dieser Teil wurde seit vorletztem Jahr abgetrennt und wird in der 2. Klassenarbeit behandelt.

Klassenarbeiten zum Thema E-Feld

Klassenarbeiten zum Thema B-Feld