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
++1 µC++2 µCE = 050 cm

Ladungen von +1 µC und +2 µC sind 50 cm voneinander entfernt. In welchem Abstand x von der Ladung +1 µC ist das elektrische Feld auf der Verbindungslinie null?

q1 = +1 µCq2 = +2 µCd = 50 cm
x = cm
2.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderSchwer
10 cm8 cm+q1​ = +1 µC+q3​ = +10 µC+q2​ = +2 µC

Drei positive Punktladungen sitzen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks: q₃ = 10 µC sitzt an der Ecke mit dem rechten Winkel, q₁ = 1 µC ist 10 cm davon entfernt entlang der einen Kathete und q₂ = 2 µC 8 cm entlang der anderen. Bestimme den Betrag der resultierenden elektrischen Kraft F auf q₃.

q1 = 1 µCq2 = 2 µCq3 = 10 µCr13 = 10 cmr23 = 8 cm
F = N
3.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
4.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
5.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​20 Vt = 0R = 100 ΩL47 mHi(t)

Die Spule führt keinen Strom, bevor der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme die Spannung vL an der Spule bei t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 100 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
6.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​15 Vöffnet bei t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 6,8 kΩC22 µF+−vC​

Der Schalter ist seit Langem geschlossen, die Schaltung ist also im eingeschwungenen Zustand. Bei t = 0 öffnet der Schalter. Bestimme die Kondensatorspannung vC bei t = 200 ms.

Vs = 15 VR1 = 6,8 kΩR2 = 6,8 kΩC = 22 µFt = 200 ms
vC = V
7.Magnetfelder & InduktionMittel
−v = 8 × 10⁶ m/sr = 0,5686 cmB = ?

Ein Elektron tritt mit 8 × 10⁶ m/s senkrecht in ein homogenes Magnetfeld ein und bewegt sich auf einem Kreis mit dem Radius 0,5686 cm. Bestimme die magnetische Flussdichte B.

m = 9,109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 8 × 10⁶ m/sr = 0,5686 cm
B = mT
8.Magnetfelder & InduktionSchwer
Bn = 1500 rpm5 cm × 25 cmN = 200B = 0,2 T

Eine Spule mit 200 Windungen, 5 cm × 25 cm, rotiert mit 1500 U/min in einem homogenen Feld von 0,2 T um eine Achse senkrecht zum Feld. Bestimme den Effektivwert Erms der Spannung.

N = 200A = 5 cm × 25 cmB = 0,2 Tn = 1500 rpm
Erms = V
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
100 V200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 100 V (Effektivwert) und 200 Hz. Bestimme den Leistungsfaktor cos φ der Schaltung.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
5 Vf0​R = 15 ΩL = 5 mHC = 2,2 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 = 15 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF
VL = V

3Lösungen

1.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: x = 20,71 cm

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.

Gleiche Felder

1/x² = 2/(50 − x)²
(50 − x)/x = √(2/1) = 1,414

Position

x = 50/(1 + 1,414) = 20,71 cm

Antwort

x = 20,71 cm

Der Nullpunkt liegt immer näher an der kleineren Ladung.

2.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: F = 29,5 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·1·10 × 10⁻¹²/0,1² = 8,99 N
F2 = k·2·10 × 10⁻¹²/0,08² = 28,09 N

Vektorsumme

F = √(8,99² + 28,09²) = 29,5 N

Antwort

F = 29,5 N
3.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 15,88 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​3 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 8 + 7,879 = 15,88 Ω

Antwort

Req = 15,88 Ω
4.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR1 = 1,082 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBR6​30 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 1,93 Ω
R3 + 1,93 = 7,93 Ω
R2 ∥ 7,93 = 2,177 Ω
Req = R1 + 2,177 = 20 + 2,177 = 22,18 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 = 24/22,18 = 1,082 A

Antwort

IR1 = 1,082 A
5.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vL = 2,382 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 = 47 mH / 100 Ω = 0,47 ms
i(∞) = Vs/R = 20/100 = 0,2 A

Spulenspannung

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,47 = 2,382 V

Antwort

vL = 2,382 V
6.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vC = 1,97 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.

Anfangsspannung des Kondensators

Im eingeschwungenen Zustand ist der Kondensator ein Leerlauf, R₁ und R₂ bilden also einen Spannungsteiler. Die Kondensatorspannung kann beim Öffnen des Schalters nicht springen.

vC(0) = 15·6,8/(6,8 + 6,8) = 7,5 V

Zeitkonstante nach dem Öffnen des Schalters

τ = R2·C = 6,8·22 = 149,6 ms

Entladung

vC(t) = 7,5·e−200/149,6 = 1,97 V

Antwort

vC = 1,97 V
7.Magnetfelder & Induktion

Antwort: B = 8 mT

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).

Feld aus dem Radius

B = mv/(|q|r) = 9,109 × 10⁻³¹·8 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,005686) = 8 mT

Antwort

B = 8 mT
8.Magnetfelder & Induktion

Antwort: Erms = 55,54 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·1500/60 = 157,1 rad/s
A = 0,0125 m²

Scheitelspannung

E₀ = NBAω = 200·0,2·0,0125·157,1 = 78,54 V

Effektivwert

Erms = 78,54/√2 = 55,54 V

Antwort

Erms = 55,54 V
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: cos φ = 0,1073

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|.

Blindwiderstände

XL = 314,2 Ω, XC = 36,17 Ω

Impedanz

|Z| = √(30² + (278)²) = 279,6 Ω

Leistungsfaktor

cos φ = R/|Z| = 30/279,6 = 0,1073
Die Schaltung ist induktiv, der Leistungsfaktor ist also induktiv (nacheilend).

Antwort

cos φ = 0,1073
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VL = 15,89 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/√(0,005·2,2·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Spannung an der Spule

XL = ω₀L = 9535·0,005 = 47,67 Ω
VL = I·XL = 0,3333·47,67 = 15,89 V

Antwort

VL = 15,89 V

Das ist das Q = 3,178-Fache der Versorgungsspannung.

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