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
++3 µC++4 µCP50 cm

Eine Ladung von +3 µC und eine Ladung von +4 µC sind 50 cm voneinander entfernt. Der Punkt P liegt auf der Verbindungslinie zwischen ihnen, 37,5 cm von der ersten Ladung entfernt. Bestimme den Betrag der elektrischen Feldstärke E in P.

q1 = +3 µCq2 = +4 µCr1 = 37,5 cmr2 = 12,5 cm
E = N/C
2.Coulombsches Gesetz & elektrische FelderSchwer
6 cm6 cm+q1​ = +4 µC+q3​ = +2 µC+q2​ = +10 µC

Drei positive Punktladungen sitzen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks: q₃ = 2 µC sitzt an der Ecke mit dem rechten Winkel, q₁ = 4 µC ist 6 cm davon entfernt entlang der einen Kathete und q₂ = 10 µC 6 cm entlang der anderen. Bestimme den Betrag der resultierenden elektrischen Kraft F auf q₃.

q1 = 4 µCq2 = 10 µCq3 = 2 µCr13 = 6 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Bestimme den Strom IR2 durch R2.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
4.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAR4​25 ΩBR6​5 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
5.RC- und RL-AusgleichsvorgängeMittel
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL150 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 = 20 VR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vL = V
6.RC- und RL-AusgleichsvorgängeSchwer
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Kurz bevor der Schalter bei t = 0 schließt, liegt am Kondensator eine Spannung von 3 V mit der eingezeichneten Polarität. Wie lange dauert es, bis vC den Wert 17,7 V erreicht? Bestimme t.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 3 V
t = ms
7.Magnetfelder & InduktionMittel
20 A2 Ad = 20 cm

Zwei lange parallele Drähte im Abstand von 20 cm führen Ströme von 20 A und 2 A in entgegengesetzten Richtungen. Bestimme die Kraft pro Meter Länge F/L zwischen ihnen.

I1 = 20 AI2 = 2 Ad = 20 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Magnetfelder & InduktionSchwer
I = 1 Al = 10 cmN = 1500, ⌀ 4 cm

Eine lange Luftspule hat 1500 Windungen, eine Länge von 10 cm und einen Durchmesser von 4 cm. Bestimme die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie W, wenn sie 1 A führt.

N = 1500l = 10 cm⌀ = 4 cmI = 1 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = mJ
9.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerMittel
24 V50 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Eine RLC-Reihenschaltung liegt an einer Versorgung mit 24 V (Effektivwert) und 50 Hz. Bestimme den Effektivwert des Stroms I.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
10.Wechselstrom: Impedanz und ZeigerSchwer
VfR = 5 ΩL = 10 mHC = 0,047 µF

Ein RLC-Reihenschwingkreis hat R = 5 Ω, L = 10 mH und C = 0,047 µF. Bestimme seine Bandbreite B (die Breite des Bands zwischen den Halbleistungsfrequenzen) in Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 0,047 µF
B = Hz

3Lösungen

1.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: E = 2,11 × 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·3 × 10⁻⁶/0,375² = 191787 N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,125² = 2,301 × 10⁶ N/C

Richtungen und Summe

Beide Ladungen sind positiv: In P zeigen ihre Felder jeweils von ihrer Ladung weg, also in entgegengesetzte Richtungen.

E = |191787 − 2,301 × 10⁶| = 2,11 × 10⁶ N/C

Antwort

E = 2,11 × 10⁶ N/C
2.Coulombsches Gesetz & elektrische Felder

Antwort: F = 53,79 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·4·2 × 10⁻¹²/0,06² = 19,98 N
F2 = k·10·2 × 10⁻¹²/0,06² = 49,94 N

Vektorsumme

F = √(19,98² + 49,94²) = 53,79 N

Antwort

F = 53,79 N
3.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: IR2 = 0,5207 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​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​4 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 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 6·14/(6+14) = 4,2 Ω
Req = R1 + 4,2 = 20 + 4,2 = 24,2 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 = 18/24,2 = 0,7438 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 = 18 − 0,7438·20 = 3,124 V
IR2 = VA/R2 = 3,124/6 = 0,5207 A

Antwort

IR2 = 0,5207 A
4.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 14,33 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​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAR4​25 ΩBR6​5 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 + 5 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5,469 Ω
R3 + 5,469 = 8,469 Ω
R2 ∥ 8,469 = 6,326 Ω
Req = R1 + 6,326 = 8 + 6,326 = 14,33 Ω

Antwort

Req = 14,33 Ω
5.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: vL = 4,175 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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 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−5/3,191 = 4,175 V

Antwort

vL = 4,175 V
6.RC- und RL-Ausgleichsvorgänge

Antwort: t = 58,27 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.

Anfangswert, Endwert, Zeitkonstante

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

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 22 µF = 48,4 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

Nach der Zeit auflösen

17,7 = 24 + (−21)·e−t/τ → e−t/τ = (17,7 − 24)/(3 − 24) = 0,3
t = τ·ln((3 − 24)/(17,7 − 24)) = 48,4·ln(3,333) = 58,27 ms

Antwort

t = 58,27 ms
7.Magnetfelder & Induktion

Antwort: F/L = 40 µN/m

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).

Kraft pro Meter

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·20·2/0,2 = 40 µN/m

Antwort

F/L = 40 µN/m

Ströme in entgegengesetzter Richtung stoßen sich ab.

8.Magnetfelder & Induktion

Antwort: W = 17,77 mJ

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 = 35,53 mH

Gespeicherte Energie

W = ½LI² = ½·0,03553·1² = 0,01777 J = 17,77 mJ

Antwort

W = 17,77 mJ
9.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: I = 1,313 A

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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedanz

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (15,29)²) = 18,27 Ω

Strom

Durch jedes Element einer Reihenschaltung fließt derselbe Strom.

I = V/|Z| = 24/18,27 = 1,313 A

Antwort

I = 1,313 A
10.Wechselstrom: Impedanz und Zeiger

Antwort: B = 79,58 Hz

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|.

Resonanzfrequenz

f0 = 1/(2π·√(0,01·0,047·10⁻⁶)) = 7341 Hz

Güte

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,01/(0,047·10⁻⁶)) = 92,25

Bandbreite

B = f0/Q = 7341/92,25 = 79,58 Hz

Antwort

B = 79,58 Hz

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