Physik 2: Elektrizität und Magnetismus: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 10 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Coulombsches Gesetz
F = k·|q1q2|/r²
Feld einer Punktladung
E = k·|q|/r²
Konstante
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Kraft auf eine Ladung
F = q·E

Reihen- und Parallelschaltung

Widerstände in Reihe
Req = R1 + R2 + …
Widerstände parallel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Zwei parallel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ohmsches Gesetz
V = I·R
Leistung
P = V·I = I²R = V²/R

Methode

  1. Beginne an dem Ende des Netzwerks, das am weitesten von den Klemmen entfernt ist.
  2. Fasse Widerstände in Reihe durch Addieren zusammen und parallele Widerstände mit 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Zeichne die Schaltung nach jedem Schritt neu.
  4. Wiederhole das, bis zwischen den Klemmen ein einziger Widerstand übrig ist.

RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Zeitkonstante
τ = RC | τ = L/R
Antwort
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensator bei Gleichstrom
Leerlauf; vC kann nicht springen
Spule bei Gleichstrom
Kurzschluss; iL kann nicht springen
Eingeschwungen
t ≈ 5τ

Methode

  1. Bestimme den Anfangswert unmittelbar nach dem Schalten: Kondensatorspannung und Spulenstrom können nicht springen.
  2. Bestimme den Endwert lange nach dem Schalten: Ein Kondensator wirkt wie ein Leerlauf, eine Spule wie ein Kurzschluss.
  3. Bestimme die Zeitkonstante: τ = RC oder τ = L/R, mit dem Widerstand, den der Kondensator bzw. die Spule sieht.
  4. Verwende x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Magnetfelder & Induktion

Langer gerader Draht
B = μ0I/(2πr)
Mittelpunkt einer flachen Spule
B = μ0NI/(2R)
Lange Spule
B = μ0nI, n = N/L
Konstante
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Kraft auf einen Draht
F = BIL·sin θ
Kraft auf eine Ladung
F = |q|vB·sin θ
Kreisbewegung
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Parallele Drähte
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Fluss
Φ = BA·cos θ
Faradaysches Induktionsgesetz
ε = −N·ΔΦ/Δt
Bewegter Stab
ε = BLv
Generator
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Induktivität
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Gegeninduktivität
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Geschwindigkeitsfilter und Spektrometer
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Methode

  1. Rechne jede Größe in SI-Einheiten um: cm in m, cm² in m², mT und µT in T.
  2. Wähle die richtige Formel: B = μ₀I/(2πr) für einen Draht, μ₀NI/(2R) für den Mittelpunkt einer Spule, μ₀nI im Inneren einer Spule; F = BIL·sin θ oder |q|vB·sin θ für Kräfte.
  3. Bestimme bei Induktion die Flussänderung ΔΦ = Δ(BA·cos θ) und verwende ε = N·ΔΦ/Δt, oder ε = BLv für einen bewegten Stab und NBAω für eine rotierende Spule.
  4. Bestimme Richtungen getrennt mit den Rechte-Hand-Regeln und der Lenzschen Regel für induzierte Ströme.

Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Impedanzen
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Kreisfrequenz
ω = 2πf
Betrag und Winkel
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ohmsches Gesetz mit Zeigern
V = I·Z

Methode

  1. Rechne die Frequenz um: ω = 2πf.
  2. Bestimme jeden Blindwiderstand: XL = ωL und XC = 1/(ωC).
  3. Addiere Impedanzen wie Widerstände, mit Z = R + jX.
  4. Bestimme den Betrag |Z| = √(R² + X²) und den Winkel φ = atan(X/R) und wende dann das ohmsche Gesetz mit Zeigern an.

2Übungsaufgaben

1.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderMittel
−−2 µC−−5 µCr = 5 cm

Zwei gleiche kleine Metallkugeln tragen Ladungen von −2 µC und −5 µC. Sie werden zusammengebracht und dann wieder in 5 cm Abstand gebracht. Bestimme den Betrag der Kraft F zwischen ihnen jetzt. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = −2 µCq2 = −5 µCr = 5 cm
F = N
2.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderSchwer
4 cm10 cm+q1​ = +10 µC+q3​ = +8 µC+q2​ = +1 µC

Drei positive Punktladungen sitzen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks: q₃ = 8 µC sitzt an der Ecke mit dem rechten Winkel, q₁ = 10 µC ist 4 cm davon entfernt entlang der einen Kathete und q₂ = 1 µC 10 cm entlang der anderen. Bestimme den Betrag der resultierenden elektrischen Kraft F auf q₃.

q1 = 10 µCq2 = 1 µCq3 = 8 µCr13 = 4 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​20 ΩB

Bestimme den Strom IR1, den die Quelle abgibt und der durch R1 fließt.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​3 ΩBR6​12 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 5 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
5.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​6 Vt = 0R = 15 ΩL68 mHi(t)

Die Spule führt keinen Strom, bevor der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme die Spannung vL an der Spule bei t = 5 ms.

Vs = 6 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
6.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 8 V mit der eingezeichneten Polarität. Bestimme die Kondensatorspannung vC bei t = 300 ms.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 Vt = 300 ms
vC = V
7.Magnetfelder & InduktionMittel
−vBF = ?

Ein Elektron bewegt sich nach rechts durch ein homogenes Magnetfeld, das in die Blattebene hinein zeigt. Klicke die Richtung der magnetischen Kraft auf es an.

v: nach rechtsB: in die Blattebene hinein
  1. 1auf der Seite nach oben
  2. 2nach rechts
  3. 3auf der Seite nach unten
  4. 4nach links
8.Magnetfelder & InduktionSchwer
Bn = 1800 rpm8 cm × 5 cmN = 250B = 0,25 T

Eine Spule mit 250 Windungen, 8 cm × 5 cm, rotiert mit 1800 U/min in einem homogenen Feld von 0,25 T um eine Achse senkrecht zum Feld. Bestimme die Scheitelspannung E0.

N = 250A = 8 cm × 5 cmB = 0,25 Tn = 1800 rpm
E0 = V
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
100 V100 HzR = 50 ΩL = 20 mHI

Ein Widerstand und eine Spule liegen parallel an einer Versorgung mit 100 V (Effektivwert) und 100 Hz. Bestimme den Betrag der Impedanz |Z|.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
5 Vf0​R = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis wird von einer Quelle mit 5 V (Effektivwert) gespeist, deren Frequenz auf die Resonanzfrequenz der Schaltung eingestellt ist. Bestimme die Effektivspannung VL an der Spule.

V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF
VL = V

3Lösungen

1.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: F = 44,05 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Ladung nach dem Berühren

q′ = (−2 + −5)/2 = −3,5 µC

Neue Kraft

F = 8,99 × 10⁹·(3,5 × 10⁻⁶)²/0,05² = 44,05 N

Antwort

F = 44,05 N

Beide Kugeln tragen jetzt dasselbe Vorzeichen, sie stoßen sich also ab.

2.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: F = 449,6 N

Coulombsches Gesetz: Zwei Punktladungen ziehen sich an oder stoßen sich ab mit F = k·|q₁·q₂|/r², mit k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Das Feld einer Punktladung ist E = k·|q|/r² und zeigt von einer positiven Ladung weg und zu einer negativen hin. Kräfte und Felder mehrerer Ladungen addieren sich vektoriell.

Einzelkräfte auf q₃

F1 = k·10·8 × 10⁻¹²/0,04² = 449,5 N
F2 = k·1·8 × 10⁻¹²/0,1² = 7,192 N

Vektorsumme

F = √(449,5² + 7,192²) = 449,6 N

Antwort

F = 449,6 N
3.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR1 = 0,9421 A

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​20 ΩB

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R3 + R4 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 5·23/(5+23) = 4,107 Ω
Req = R1 + 4,107 = 15 + 4,107 = 19,11 Ω

Strom aus der Quelle

Die Quelle sieht nur Req, also liefert das ohmsche Gesetz den Strom, den sie abgibt. Dieser Strom fließt durch R₁.

IR1 = V1/Req = 18/19,11 = 0,9421 A

Antwort

IR1 = 0,9421 A
4.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 12,31 Ω

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​3 ΩBR6​12 Ω

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R5 + R6 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 2,55 Ω
R3 + 2,55 = 17,55 Ω
R2 ∥ 17,55 = 10,31 Ω
Req = R1 + 10,31 = 2 + 10,31 = 12,31 Ω

Antwort

Req = 12,31 Ω
5.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vL = 1,991 V

Ausgleichsvorgänge erster Ordnung: In einer Schaltung mit einem Kondensator oder einer Spule läuft jede Spannung und jeder Strom exponentiell vom Anfangswert zum Endwert: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, mit τ = RC oder τ = L/R. Nach etwa 5τ ist die Schaltung eingeschwungen.

Zeitkonstante und Endstrom

Lange nach dem Schließen des Schalters wirkt die Spule wie ein Kurzschluss, daher bestimmt R allein den Endstrom.

τ = L/R = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0,4 A

Spulenspannung

Bei t = 0 liegt die ganze Versorgungsspannung an der Spule; danach fällt sie auf null ab.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−5/4,533 = 1,991 V

Antwort

vL = 1,991 V
6.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vC = 9,711 V

Ausgleichsvorgänge erster Ordnung: In einer Schaltung mit einem Kondensator oder einer Spule läuft jede Spannung und jeder Strom exponentiell vom Anfangswert zum Endwert: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, mit τ = RC oder τ = L/R. Nach etwa 5τ ist die Schaltung eingeschwungen.

Anfangswert, Endwert, Zeitkonstante

Die Kondensatorspannung kann nicht springen, daher startet sie bei ihrem gespeicherten Wert und strebt der Quellenspannung zu.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 33 µF = 155,1 ms
vC(t) = 10 + (8 − 10)·e−t/τ

Spannung zum gegebenen Zeitpunkt

vC(300) = 10 + (−2)·e−300/155,1 = 9,711 V

Antwort

vC = 9,711 V
7.Magnetfelder & Induktion

Antwort: auf der Seite nach unten

Magnetische Kräfte: Ein gerader Draht mit Strom I in einem Feld B erfährt F = BIL·sin θ, und eine bewegte Ladung F = |q|vB·sin θ, wobei θ der Winkel zwischen dem Strom (oder der Geschwindigkeit) und B ist. Die Kraft steht senkrecht auf beiden: Zeige mit den Fingern der rechten Hand entlang I oder v, krümme sie zu B hin, und der Daumen gibt F für eine positive Ladung an; bei einer negativen Ladung kehre es um. Da F senkrecht auf v steht, bewegt sich eine Ladung quer zu einem homogenen Feld auf einem Kreis: |q|vB = mv²/r ergibt r = mv/(|q|B) und die Umlaufzeit T = 2πm/(|q|B), die nicht von der Geschwindigkeit abhängt. Zwei parallele Drähte ziehen sich bei Strömen in gleicher Richtung an: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Rechte-Hand-Regel

Zeige mit den Fingern entlang des Stroms oder der Geschwindigkeit und krümme sie zu B hin; der Daumen gibt die Kraft auf eine positive Ladung an.

v: nach rechts, B: in die Blattebene hinein

Negative Ladung

Die Kraft auf ein Elektron ist der auf eine positive Ladung entgegengesetzt.

Richtung der Kraft

auf der Seite nach unten

Antwort

F: auf der Seite nach unten
8.Magnetfelder & Induktion

Antwort: E0 = 47,12 V

Elektromagnetische Induktion: Der Fluss durch eine Schleife ist Φ = BA·cos θ, mit θ zwischen B und der Normalen der Schleife. Faradaysches Gesetz: Eine Flussänderung induziert in einer Spule mit N Windungen die Spannung emf = −N·dΦ/dt, und nach der Lenzschen Regel fließt der induzierte Strom so, dass sein eigenes Feld der Änderung entgegenwirkt. Ein Stab, der sich quer durch ein Feld bewegt, liefert emf = BLv. Eine mit ω rotierende Spule liefert e = NBAω·sin ωt, Scheitelwert NBAω. Selbstinduktivität: emf = −L·di/dt, mit L = μ₀N²A/l für eine lange Spule, und die gespeicherte Energie ist W = ½LI². Zwei gekoppelte Spulen: emf₂ = −M·di₁/dt mit M = k√(L₁L₂).

Winkelgeschwindigkeit und Fläche

ω = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s
A = 0,004 m²

Scheitelspannung

E₀ = NBAω = 250·0,25·0,004·188,5 = 47,12 V

Antwort

E0 = 47,12 V
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: |Z| = 12,19 Ω

Wechselstromkreise mit Zeigern: Widerstände, Spulen und Kondensatoren haben die Impedanzen R, jωL und 1/(jωC), mit ω = 2πf. In Reihe addieren sich Impedanzen wie Widerstände, aber als komplexe Zahlen. Effektivwerte von Strom und Spannung folgen dem ohmschen Gesetz mit |Z|.

Blindwiderstand

XL = ωL = 2π·100·0,02 = 12,57 Ω

Zweigströme

Beide Zweige liegen direkt an der Versorgung, jeder sieht also die volle Spannung V.

IR = V/R = 100/50 = 2 A
IX = V/XL = 100/12,57 = 7,958 A

Gesamtstrom

Der Strom im Widerstand ist in Phase mit V, der Blindstrom um 90° verschoben, sie addieren sich also wie die Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks.

I = √(IR² + IX²) = √(2² + 7,958²) = 8,205 A

Impedanz

|Z| = V/I = 100/8,205 = 12,19 Ω

Antwort

|Z| = 12,19 Ω
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VL = 17,68 V

Wechselstromkreise mit Zeigern: Widerstände, Spulen und Kondensatoren haben die Impedanzen R, jωL und 1/(jωC), mit ω = 2πf. In Reihe addieren sich Impedanzen wie Widerstände, aber als komplexe Zahlen. Effektivwerte von Strom und Spannung folgen dem ohmschen Gesetz mit |Z|.

Resonanz

Bei Resonanz heben sich die Blindwiderstände auf, die Impedanz ist also nur R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·10·10⁻⁶) = 1414 rad/s
I = V/R = 5/20 = 0,25 A

Spannung an der Spule

XL = ω₀L = 1414·0,05 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 0,25·70,71 = 17,68 V

Antwort

VL = 17,68 V

Das ist das Q = 3,536-Fache der Versorgungsspannung.

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