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
++4 µC−−10 µCP60 cm

Eine Ladung von +4 µC und eine Ladung von −10 µC sind 60 cm voneinander entfernt. Der Punkt P liegt auf der Verbindungslinie zwischen ihnen, 36 cm von der ersten Ladung entfernt. Bestimme den Betrag der elektrischen Feldstärke E in P.

q1 = +4 µCq2 = −10 µCr1 = 36 cmr2 = 24 cm
E = N/C
2.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderSchwer
++P2 × 6 cm3 cm+8 µC+8 µC

Ladungen von +8 µC und +8 µC sind 12 cm voneinander entfernt. Punkt P liegt 3 cm vom Mittelpunkt zwischen ihnen entfernt auf der Mittelsenkrechten. Bestimme den Betrag der elektrischen Feldstärke E in P. Verwende k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +8 µCq2 = +8 µCd = 12 cmh = 3 cm
E = N/C
3.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
4.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​30 ΩBR6​12 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
5.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
R = 47 Ωt = 0L22 mHi(t)

Die Spule führt einen konstanten Strom von 1 A. Bei t = 0 schließt der Schalter den Kreis über R, und die Quelle wird abgetrennt, der Spulenstrom klingt also über R ab. Wie lange dauert es, bis der Strom auf 0,2 A gefallen ist? Bestimme t.

i(0) = 1 AR = 47 ΩL = 22 mH
t = ms
6.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​20 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 30 V mit der eingezeichneten Polarität. Bestimme die Kondensatorspannung vC bei t = 150 ms.

Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 30 Vt = 150 ms
vC = V
7.Magnetfelder & InduktionMittel
+v = 2 × 10⁵ m/sB = 1,5 T

Ein Proton bewegt sich auf einem Kreis in einem homogenen Magnetfeld von 1,5 T. Bestimme die Zeit T für einen Umlauf.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CB = 1,5 T
T = ns
8.Magnetfelder & InduktionSchwer
I = 3 Al = 40 cmN = 100, ⌀ 2,5 cm

Eine lange Luftspule hat 100 Windungen, eine Länge von 40 cm und einen Durchmesser von 2,5 cm. Bestimme die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie W, wenn sie 3 A führt.

N = 100l = 40 cm⌀ = 2,5 cmI = 3 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = µJ
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
Vf0​ = 200 HzRL = 1 mHC = ?

Ein RLC-Reihenschwingkreis mit L = 1 mH soll bei 200 Hz in Resonanz sein. Bestimme die nötige Kapazität C.

f0 = 200 HzL = 1 mH
C = µF
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
24 V500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µF+−VC​

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 500 Hz. Bestimme den Effektivwert der Spannung VC am Kondensator.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µF
VC = V

3Lösungen

1.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: E = 1,838 × 10⁶ N/C

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.

Feld jeder Ladung

E1 = k·4 × 10⁻⁶/0,36² = 277469 N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,24² = 1,561 × 10⁶ N/C

Richtungen und Summe

Das erste Feld zeigt von der positiven Ladung weg und das zweite zur negativen Ladung hin: Beide zeigen in dieselbe Richtung.

E = |277469 + 1,561 × 10⁶| = 1,838 × 10⁶ N/C

Antwort

E = 1,838 × 10⁶ N/C
2.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: E = 1,429 × 10⁷ N/C

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.

Abstand und Feld einer Ladung

r = √(6² + 3²) = 6,708 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0,06708² = 1,598 × 10⁷ N/C

Komponenten

Die Komponenten entlang der Verbindungslinie heben sich auf.

E = 2·E1·(h/r) = 2·1,598 × 10⁷·0,4472 = 1,429 × 10⁷ N/C

Antwort

E = 1,429 × 10⁷ N/C

Das Feld zeigt entlang der Mittelsenkrechten von den Ladungen weg.

3.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,6383 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​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 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 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 12 + 8,889 = 20,89 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 = 30/20,89 = 1,436 A

Strom durch R₂

Ziehe den Spannungsabfall an R₁ ab, um die Spannung an Knoten A zu erhalten, die an R₂ anliegt.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,436·12 = 12,77 V
IR2 = VA/R2 = 12,77/20 = 0,6383 A

Antwort

IR2 = 0,6383 A
4.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 19,98 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​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​30 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 39,55 Ω
R2 ∥ 39,55 = 7,982 Ω
Req = R1 + 7,982 = 12 + 7,982 = 19,98 Ω

Antwort

Req = 19,98 Ω
5.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 0,7534 ms

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

τ = L/R = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms

Nach der Zeit auflösen

0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 0,4681·ln(5) = 0,7534 ms

Antwort

t = 0,7534 ms
6.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vC = 23,67 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 20 + (30 − 20)·e−t/τ

Spannung zum gegebenen Zeitpunkt

vC(150) = 20 + (10)·e−150/149,6 = 23,67 V

Antwort

vC = 23,67 V
7.Magnetfelder & Induktion

Antwort: T = 43,74 ns

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).

Umlaufzeit der Kreisbewegung

Ein schnelleres Teilchen bewegt sich auf einem größeren Kreis, die Zeit pro Umlauf bleibt also gleich.

T = 2πm/(|q|B) = 2π·1,673 × 10⁻²⁷/(1,602 × 10⁻¹⁹·1,5) = 43,74 ns

Antwort

T = 43,74 ns

Die Geschwindigkeit wird nicht gebraucht: Deshalb kann ein Zyklotron mit einer festen Frequenz arbeiten.

8.Magnetfelder & Induktion

Antwort: W = 69,4 µJ

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).

Selbstinduktivität

L = μ₀N²A/l = 15,42 µH

Gespeicherte Energie

W = ½LI² = ½·1,542 × 10⁻⁵·3² = 6,94 × 10⁻⁵ J = 69,4 µJ

Antwort

W = 69,4 µJ
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: C = 633,3 µF

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|.

Resonanzbedingung

Bei Resonanz heben sich induktiver und kapazitiver Blindwiderstand auf: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,001) = 633,3 µF

Antwort

C = 633,3 µF
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: VC = 6,101 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|.

Blindwiderstände

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Impedanz

In Reihe addieren sich die Impedanzen als komplexe Zahlen: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (48,36)²) = 56,91 Ω

Strom

Durch jedes Element einer Reihenschaltung fließt derselbe Strom.

I = V/|Z| = 24/56,91 = 0,4217 A

Spannung am Kondensator

VC = I·XC = 0,4217·14,47 = 6,101 V

Antwort

VC = 6,101 V

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