Einführung in Physik Oberstufen-Grundkurs

Elektrische Ladungen und Felder

Elektrische Ladungen sind die Basis für alles in der Elektrizität. Jedes Atom besteht aus positiven Protonen im Kern und negativen Elektronen in der Hülle - normalerweise gleich viele, sodass das Atom neutral ist.

Wenn Elektronen fehlen oder im Überschuss vorhanden sind, entstehen elektrische Ladungen. Die Formel dafür ist simpel: Q = N·e, wobei N die Anzahl der Ladungen und e die Elementarladung ist.

Mit einem Elektroskop kannst du Ladungen nachweisen. Berührst du es mit einem geladenen Stab, schlagen sich die Zeiger aus - egal ob positiv oder negativ geladen. Das liegt daran, dass gleichartige Ladungen sich abstoßen.

Merke dir: Das Coulombsche Gesetz beschreibt die Kraft zwischen geladenen Körpern: Je näher sie sich sind, desto stärker wirkt die Kraft.

Elektrische Felder entstehen um geladene Körper herum. Diese unsichtbaren Felder erkennst du nur an ihrer Wirkung - sie üben Kräfte auf andere geladene Teilchen aus. Feldlinien helfen dabei, diese Felder zu visualisieren: Sie verlaufen immer von Plus nach Minus und kreuzen sich nie.

Elektrische Feldstärke und Spannung

Die elektrische Feldstärke E gibt an, wie stark die Kraft auf eine Ladung im elektrischen Feld ist. Die Formel E = F/Q zeigt: Je größer die Kraft oder je kleiner die Ladung, desto größer die Feldstärke.

In einem homogenen Feld (wie zwischen Kondensatorplatten) ist die Feldstärke überall gleich. In einem Radialfeld nimmt sie mit der Entfernung ab - genau wie bei einer Glühbirne das Licht.

Elektrische Spannung entsteht, wenn Ladungen getrennt werden. Stell dir vor, du bewegst eine Ladung zwischen zwei Platten - dafür brauchst du Energie. Diese potentielle Energie pro Ladung nennen wir elektrisches Potential.

Wichtig: Spannung ist der Potentialunterschied zwischen zwei Punkten und der Antrieb für elektrischen Strom.

Elektrischer Strom ist nichts anderes als die gerichtete Bewegung von Ladungen. Die Stromstärke I = ΔQ/Δt sagt dir, wie viele Ladungen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließen. Bei 1 Ampere sind das unglaubliche 6,24·10¹⁸ Elektronen pro Sekunde!

Kondensatoren und Magnetfelder

Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten, die durch einen Isolator getrennt sind. Er kann elektrische Ladungen speichern - wie eine winzige Batterie. Die Kapazität C = Q/U gibt an, wie viel Ladung er bei 1 Volt speichern kann.

Beim Laden und Entladen eines Kondensators ändern sich Spannung und Stromstärke charakteristisch. In Reihenschaltung addieren sich die Kehrwerte der Kapazitäten, in Parallelschaltung die Kapazitäten selbst.

Magnetfelder entstehen um stromdurchflossene Leiter. Das entdeckte schon Oersted 1820 - ein Kompass wird neben einem stromführenden Draht ausgelenkt. Die Daumenregel der linken Hand hilft dir, die Richtung des Magnetfelds zu bestimmen.

Feldlinien im Magnetfeld sind immer geschlossene Linien, die vom Nord- zum Südpol verlaufen.

Bei einer stromdurchflossenen Spule entsteht ein homogenes Magnetfeld im Inneren. Je mehr Windungen, je größer der Strom und je kürzer die Spule, desto stärker wird das Magnetfeld. Die Formel B = μ₀(N/l)I zeigt dir den Zusammenhang.

Lorentzkraft und Teilchenbewegung

Bewegte elektrische Ladungen erfahren in einem Magnetfeld eine Kraft - die Lorentzkraft. Diese Kraft wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung und zur Magnetfeldrichtung. Mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand findest du die Kraftrichtung.

Die Formel F = B·Q·v zeigt: Je stärker das Magnetfeld, je größer die Ladung und je schneller die Bewegung, desto größer die Lorentzkraft. Steht die Geschwindigkeit nicht senkrecht zum Feld, kommt noch sin α dazu.

Bewegen sich Ladungen parallel zu den Feldlinien, wirkt keine Kraft - sie fliegen geradeaus. Bewegen sie sich senkrecht dazu, zwingt die Lorentzkraft sie auf eine Kreisbahn, ohne die Geschwindigkeit zu ändern.

Anwendung: Die Massenspektrometrie nutzt diesen Effekt, um Atome und Moleküle zu identifizieren.

Im Geschwindigkeitsfilter stehen elektrisches und magnetisches Feld senkrecht zueinander. Nur Teilchen mit der richtigen Geschwindigkeit v = E/B fliegen geradeaus durch. Alle anderen werden abgelenkt.

Mit dem Fadenstrahlrohr kannst du die Masse von Elektronen bestimmen. Über die Kreisbahn im Magnetfeld und die beschleunigende Spannung lässt sich das Verhältnis e/m berechnen.

Elektromagnetische Induktion

Michael Faraday entdeckte 1831 die elektromagnetische Induktion - wenn sich ein Magnetfeld ändert, entsteht Spannung. Bewegst du einen Magneten in eine Spule hinein oder heraus, zeigt das Spannungsmessgerät einen Ausschlag.

Das Induktionsgesetz besagt: U = -n·(dΦ/dt). Je schneller sich der magnetische Fluss Φ = B·A ändert und je mehr Windungen die Spule hat, desto größer die induzierte Spannung.

Die Lenzsche Regel erklärt das Minuszeichen: Die induzierte Spannung wirkt immer so, dass sie ihre Entstehungsursache hemmt. Das ist wie ein elektrischer "Widerstand" gegen Veränderungen.

Selbstinduktion tritt auf, wenn eine Spule ihren eigenen Strom ändert - sie "bremst" sich selbst.

Die Induktivität L = μ₀μᵣn²A/l einer Spule hängt von der Windungszahl, der Fläche und der Länge ab. Je größer L, desto mehr "Trägheit" hat der Strom. Die Formel U = -L·(dI/dt) zeigt den Zusammenhang.

Eine stromdurchflossene Spule speichert magnetische Feldenergie: E = ½LI². Diese Energie wird beim Ausschalten als Funke sichtbar - deshalb knistert es manchmal beim Lichtschalter.

Mechanische Schwingungen

Mechanische Schwingungen sind überall - vom Pendel der Uhr bis zur Gitarrensaite. Ein Körper schwingt, wenn er sich periodisch um seine Gleichgewichtslage bewegt. Dabei wirken zwei entscheidende Faktoren: eine rücktreibende Kraft und die Trägheit des Körpers.

Die rücktreibende Kraft zieht den Körper immer zurück zur Gleichgewichtslage. Beim Fadenpendel ist das eine Komponente der Gewichtskraft, beim Federschwinger die Federkraft F = -D·y.

Harmonische Schwingungen folgen der Gleichung y = yₘₐₓ·sin$ωt + φ₀$. Sie entstehen nur bei linearer Rückstellkraft - beim Federschwinger immer, beim Fadenpendel nur bei kleinen Auslenkungen (α < 5°).

Wichtige Größen: Amplitude yₘₐₓ (maximale Auslenkung), Periodendauer T (Zeit für eine Schwingung) und Frequenz f = 1/T.

Die Schwingungsdauer kannst du berechnen: Beim Fadenpendel T = 2π√(l/g), beim Federschwinger T = 2π√(m/D). Interessant: Beim Pendel spielt die Masse keine Rolle!

Bei gedämpften Schwingungen wird die Amplitude kleiner, die Frequenz bleibt aber gleich. Resonanz tritt auf, wenn die Erregerfrequenz der Eigenfrequenz entspricht - dann können auch kleine Kräfte große Schwingungen erzeugen.

Wellen und elektromagnetische Schwingungen

Wellen entstehen, wenn gekoppelte Oszillatoren ihre Schwingungsenergie weitergeben. Dabei unterscheiden wir Längswellen (Schwingung in Ausbreitungsrichtung) wie Schall und Querwellen (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) wie Lichtwellen.

Welleneigenschaften erkennst du an typischen Phänomenen: Reflexion (Wellen prallen ab), Brechung (Richtungsänderung beim Übergang zwischen Medien), Beugung (Wellen "biegen um die Ecke") und Interferenz (Wellen überlagern sich).

Die Wellengleichung y = yₘₐₓ·sin$2π(t/T ± x/λ)$ beschreibt harmonische Wellen mathematisch. Wichtige Größen: Wellenlänge λ, Frequenz f und Ausbreitungsgeschwindigkeit c = λ·f.

Elektromagnetische Schwingungen im Schwingkreis funktionieren analog zu mechanischen Schwingungen.

Im Schwingkreis pendelt Energie zwischen elektrischer Energie im Kondensator und magnetischer Energie in der Spule hin und her. Die Thomsonsche Schwingungsgleichung T = 2π√(LC) gibt die Periodendauer an.

Elektromagnetische Wellen entstehen aus hochfrequenten Schwingkreisen. Verkleinerst du die Induktivität und Kapazität immer weiter, erhältst du schließlich einen Dipol - eine Antenne, die elektromagnetische Wellen abstrahlt.

Entstehung elektromagnetischer Wellen

Ein Schwingkreis besteht aus Kondensator und Spule und funktioniert wie ein elektrisches Pendel. Die Energie pendelt zwischen elektrischer Energie (im Kondensator) und magnetischer Energie (in der Spule) hin und her.

Am Anfang ist der Kondensator maximal geladen (Eₑₗ = ½CU²), die Spule stromlos. Dann entlädt sich der Kondensator, der Strom steigt an und erzeugt ein Magnetfeld in der Spule (Eₘₐg = ½LI²). Durch Selbstinduktion lädt sich der Kondensator umgekehrt auf - der Kreislauf beginnt von neuem.

Die Schwingungsdauer berechnet sich mit T = 2π√(LC). Um hohe Frequenzen für elektromagnetische Wellen zu erreichen, musst du L und C klein machen.

Vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis: Ziehst du die Spule auseinander und vergrößerst den Plattenabstand des Kondensators, erhältst du einen Dipol.

Spannung und Stromstärke sind im Schwingkreis um eine Viertelperiode phasenverschoben - wenn die Spannung maximal ist, ist der Strom null und umgekehrt.

Der Dipol als offener Schwingkreis kann elektromagnetische Wellen abstrahlen. Die Resonanzfrequenz f = c/(2l) hängt von der Länge des Dipols ab. So entstehen Radiowellen, Mikrowellen und sogar Licht!

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen verhalten sich wie mechanische Wellen, haben aber besondere Eigenschaften. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit c = 300.000 km/s aus und benötigen kein Medium - deshalb funktioniert auch Kommunikation im Weltraum.

Reflexion kennst du von der Satellitenantenne: Die Parabolschüssel bündelt ankommende Wellen im Brennpunkt. Brechung tritt beim Übergang zwischen verschiedenen Materialien auf, Beugung ermöglicht Radioempfang hinter Bergen.

Interferenz zeigt sich, wenn du einen Empfänger hinter einer Metallplatte bewegst - mal laute, mal leise Töne durch Überlagerung der Wellen. Absorption und Polarisation sind weitere wellentypische Eigenschaften.

Das elektromagnetische Spektrum reicht von Radiowellen bis zur Gammastrahlung - alles dieselbe Art von Welle, nur mit verschiedenen Frequenzen.

Anwendungen findest du überall: Mikrowellen $f = 2450 MHz$ in der Küche bringen Wassermoleküle zum Schwingen und erhitzen so das Essen. Handy, Radio, WLAN - alle nutzen verschiedene Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums.

Die Frequenzbereiche haben Namen: Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle für Radio, UKW für FM-Radio, Mikrowellen für WLAN und Handy, dann folgen Infrarot, sichtbares Licht, UV, Röntgen- und Gammastrahlung.

Quantenphysik und Welle-Teilchen-Dualismus

Der Fotoeffekt revolutionierte unser Verständnis von Licht. Bestrahlt man eine negativ geladene Zinkplatte mit UV-Licht, werden Elektronen herausgelöst - aber nicht mit sichtbarem Licht, egal wie hell es ist. Das widersprach der damaligen Wellentheorie komplett.

Einstein erklärte das 1905: Licht besteht aus Photonen (Lichtquanten) mit der Energie E = h·f. Nur wenn die Photonenenergie größer als die Austrittsarbeit ist, werden Elektronen herausgelöst: Eₖᵢₙ = h·f - Eₐ.

Das Plancksche Wirkungsquantum h = 6,626·10⁻³⁴ J·s ist eine fundamentale Naturkonstante. Es zeigt: Energie wird in kleinsten Portionen übertragen - der Beginn der Quantenphysik!

Welle-Teilchen-Dualismus: Licht zeigt je nach Experiment Wellen- oder Teilcheneigenschaften.

De-Broglie-Wellen erweitern das Konzept: Auch Teilchen wie Elektronen können Welleneigenschaften zeigen. Schießt man einzelne Elektronen durch einen Doppelspalt, entstehen Interferenzmuster - wie bei Wellen!

Die Quantentheorie besagt: Quantenobjekte sind weder Welle noch Teilchen, sondern etwas völlig Neues. Man kann nur Wahrscheinlichkeitsaussagen treffen - das einzelne Elektron ist unvorhersagbar, aber bei vielen Elektronen zeigt sich ein klares Muster.

Photonen haben Energie und Impuls (p = h/λ), aber keine Ruhemasse. Sie bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit und können Druck auf Spiegel ausüben - Strahlungsdruck macht Sonnensegel für Raumfahrt möglich.