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

Methode

Beginne an dem Ende des Netzwerks, das am weitesten von den Klemmen entfernt ist.
Fasse Widerstände in Reihe durch Addieren zusammen und parallele Widerstände mit 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Zeichne die Schaltung nach jedem Schritt neu.
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; v_C kann nicht springen
Spule bei Gleichstrom: Kurzschluss; i_L kann nicht springen
Eingeschwungen: t ≈ 5τ

Methode

Bestimme den Anfangswert unmittelbar nach dem Schalten: Kondensatorspannung und Spulenstrom können nicht springen.
Bestimme den Endwert lange nach dem Schalten: Ein Kondensator wirkt wie ein Leerlauf, eine Spule wie ein Kurzschluss.
Bestimme die Zeitkonstante: τ = RC oder τ = L/R, mit dem Widerstand, den der Kondensator bzw. die Spule sieht.
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, E_rms = 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

Rechne jede Größe in SI-Einheiten um: cm in m, cm² in m², mT und µT in T.
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.
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.
Bestimme Richtungen getrennt mit den Rechte-Hand-Regeln und der Lenzschen Regel für induzierte Ströme.

Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

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

Methode

Rechne die Frequenz um: ω = 2πf.
Bestimme jeden Blindwiderstand: X_L = ωL und X_C = 1/(ωC).
Addiere Impedanzen wie Widerstände, mit Z = R + jX.
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

Eine Ladung von +4 µC und eine Ladung von −1 µC sind 30 cm voneinander entfernt. Der Punkt P liegt auf der Verbindungslinie zwischen ihnen, 15 cm von der ersten Ladung entfernt. Bestimme den Betrag der elektrischen Feldstärke E in P.

q₁ = +4 µCq₂ = −1 µCr₁ = 15 cmr₂ = 15 cm

E = N/C

2.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderSchwer

Ladungen von +8 µC und −8 µC sind 6 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. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +8 µCq₂ = −8 µCd = 6 cmh = 3 cm

E = N/C

3.Reihen- und ParallelschaltungMittel

Bestimme den Strom I_R1, den die Quelle abgibt und der durch R₁ fließt.

V₁ = 15 VR₁ = 20 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 8 Ω

I_R1 = A

4.Reihen- und ParallelschaltungSchwer

Bestimme den Strom I_R1, den die Quelle abgibt und der durch R₁ fließt.

V₁ = 24 VR₁ = 6 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 2 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 4 Ω

I_R1 = A

5.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel

Die Quelle Vₛ lädt den Kondensator über R₁, und R₂ liegt parallel zu C. Der Kondensator ist ungeladen, wenn der Schalter bei t = 0 schließt. Bestimme die Kondensatorspannung v_C bei t = 30 ms.

V_s = 15 VR₁ = 2,2 kΩR₂ = 10 kΩC = 10 µFt = 30 ms

v_C = V

6.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer

Der Schalter ist seit Langem geschlossen, die Schaltung ist also im eingeschwungenen Zustand. Bei t = 0 öffnet der Schalter. Bestimme die Kondensatorspannung v_C bei t = 50 ms.

V_s = 24 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 6,8 kΩC = 10 µFt = 50 ms

v_C = V

7.Magnetfelder & InduktionMittel

Eine Spule mit 100 Windungen hat die Fläche 150 cm². Die Spule befindet sich in einem homogenen Feld von 0,4 T senkrecht zu ihrer Ebene, und das Feld wird in 250 ms abgeschaltet. Bestimme die mittlere induzierte Spannung ε.

N = 100A = 150 cm²B = 0,4 TΔt = 250 ms

ε = V

8.Magnetfelder & InduktionSchwer

Eine Spule mit 50 Windungen, 15 cm × 5 cm, rotiert in einem homogenen Feld von 0,2 T um eine Achse senkrecht zum Feld. Mit welcher Drehzahl n (in Umdrehungen pro Minute) muss sie sich drehen, um eine Effektivspannung von 19,99 V zu liefern?

N = 50A = 15 cm × 5 cmB = 0,2 TE_rms = 19,99 V

n = rpm

9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel

Ein Widerstand und ein Kondensator liegen parallel an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 100 Hz. Bestimme den Betrag der Impedanz |Z|.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩC = 47 µF

|Z| = Ω

10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer

Ein RLC-Reihenschwingkreis hat R = 5 Ω, L = 2 mH und C = 0,22 µF. Bestimme seine Bandbreite B (die Breite des Bands zwischen den Halbleistungsfrequenzen) in Hz.

R = 5 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF

B = Hz

3Lösungen

1.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: E = 1,998 × 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 × 10⁻⁶/0,15² = 1,598 × 10⁶ N/C

E₂ = k·1 × 10⁻⁶/0,15² = 399556 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 = |1,598 × 10⁶ + 399556| = 1,998 × 10⁶ N/C

Antwort

E = 1,998 × 10⁶ N/C

2.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: E = 5,651 × 10⁷ N/C

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.

Abstand und Feld einer Ladung

r = √(3² + 3²) = 4,243 cm

E₁ = k·8 × 10⁻⁶/0,04243² = 3,996 × 10⁷ N/C

Komponenten

Die Komponenten entlang der Mittelsenkrechten heben sich auf.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·3,996 × 10⁷·0,7071 = 5,651 × 10⁷ N/C

Antwort

E = 5,651 × 10⁷ N/C

Das Feld zeigt parallel zur Verbindungslinie von der positiven zur negativen Ladung.

3.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: I_R1 = 0,686 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.

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 = 20 + 8 = 28 Ω

R₂ ∥ 28 = 2·28/(2+28) = 1,867 Ω

R_eq = R₁ + 1,867 = 20 + 1,867 = 21,87 Ω

Strom aus der Quelle

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

I_R1 = V₁/R_eq = 15/21,87 = 0,686 A

Antwort

I_R1 = 0,686 A

4.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: I_R1 = 2,579 A

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

R₅ + R₆ = 5 + 4 = 9 Ω

R₄ ∥ 9 = 1,636 Ω

R₃ + 1,636 = 5,636 Ω

R₂ ∥ 5,636 = 3,307 Ω

R_eq = R₁ + 3,307 = 6 + 3,307 = 9,307 Ω

Strom aus der Quelle

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

I_R1 = V₁/R_eq = 24/9,307 = 2,579 A

Antwort

I_R1 = 2,579 A

5.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: v_C = 9,966 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.

Thévenin-Ersatzschaltung aus Sicht des Kondensators

Schließe die Quelle kurz, um R_th zu bestimmen; entferne den Kondensator, um die Spannung zu bestimmen, auf die er sich einstellt.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 2,2·10/(2,2 + 10) = 1,803 kΩ

v_C(∞) = 15·10/(2,2 + 10) = 12,3 V

Zeitkonstante

τ = R_th·C = 1,803·10 = 18,03 ms

Ladekurve

v_C(t) = 12,3·(1 − e^−30/18,03) = 9,966 V

Antwort

v_C = 9,966 V

6.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: v_C = 6,803 V

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.

v_C(0) = 24·6,8/(4,7 + 6,8) = 14,19 V

Zeitkonstante nach dem Öffnen des Schalters

τ = R₂·C = 6,8·10 = 68 ms

Entladung

v_C(t) = 14,19·e^−50/68 = 6,803 V

Antwort

v_C = 6,803 V

7.Magnetfelder & Induktion

Antwort: ε = 2,4 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).

Flussänderung pro Windung

ΔΦ = 0,4·0,015 = 0,006 Wb

Mittlere Spannung

ε = NΔΦ/Δt = 100·0,006/0,25 = 2,4 V

Antwort

ε = 2,4 V

8.Magnetfelder & Induktion

Antwort: n = 3599 rpm

Scheitelspannung

E₀ = √2·E_rms = 28,27 V

Winkelgeschwindigkeit

ω = E₀/(NBA) = 28,27/(50·0,2·0,0075) = 376,9 rad/s

Umdrehungen pro Minute

n = 60·376,9/(2π) = 3599 rpm

Antwort

n = 3599 rpm

9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: |Z| = 22,46 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

X_C = 1/(ωC) = 1/(2π·100·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Zweigströme

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

I_R = V/R = 24/30 = 0,8 A

I_X = V/X_C = 24/33,86 = 0,7087 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 = √(I_R² + I_X²) = √(0,8² + 0,7087²) = 1,069 A

Impedanz

|Z| = V/I = 24/1,069 = 22,46 Ω

Antwort

|Z| = 22,46 Ω

10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: B = 397,9 Hz

Resonanzfrequenz

f₀ = 1/(2π·√(0,002·0,22·10⁻⁶)) = 7587 Hz

Güte

Die Güte vergleicht den Blindwiderstand bei Resonanz mit dem Widerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,002/(0,22·10⁻⁶)) = 19,07

Bandbreite

B = f₀/Q = 7587/19,07 = 397,9 Hz

Antwort

B = 397,9 Hz

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