Sexl Physik 7 Elektrodynamik Wechselstrom Induktion Generator Motor Transformator Schwingkreis Optik Spektrum Reflexion Brechung Beugung Polarisation Klima Treibhauseffekt Quanten Photon Elektron Unschärfe Atom Laser
Sexl Physik 7, Schulbuch und E-Book Schulbuchnummer 225252 Sexl Physik 7, E-Book Solo Schulbuchnummer 225253 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung vom 28. August 2025, GZ 2024-0.739.089, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBl. Nr. 472/86, und gemäß dem Lehrplan 2018 als für den Unterrichtsgebrauch für die 7. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen – Oberstufe im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2018) geeignet erklärt. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Data-Mining-Verbot Die Nutzung der Inhalte dieses Werkes für Text- und Data-Mining im Sinne des § 42h Abs. 6 UrhG ist ausdrücklich vorbehalten und daher verboten. Die Inhalte dieses Werkes dürfen auch nicht zur Entwicklung, zum Training und/oder zur Anreicherung von KI-Systemen, insbesondere von generativen KI-Systemen, verwendet werden. Umschlagbild: Christian Vorhofer / Westend61 / picturedesk.com 1. Auflage (Druck 0001) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2026 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Florentin Triebl, Wien Korrektorat: Amanda Kostroun, Wien Herstellung: Oleksandra Toropenko, Wien Umschlaggestaltung: Susanne Hörner, Kommunikationsdesign, Staufen Satz: PER MEDIEN & MARKETING GmbH, Braunschweig Druck: Brüder Glöckler GmbH, Wöllersdorf ISBN 978-3-209-13316-8 (Physik Sexl OS SB 7 + E-Book) ISBN 978-3-209-13321-2 (Physik Sexl OS SB 7 E-Book Solo) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
www.oebv.at Sexl Physik 7 Roman U. Sexl Helmut Kühnelt Helga Stadler Peter Jakesch Eva Sattlberger Für die 7. Klasse der allgemein bildenden höheren Schulen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
„Sicher und kompetent zur Matura“ zu führen, ist Ziel des Lehrwerks „Sexl Physik 5–8“. Das Ziel des Physikunterrichts ist im Lehrplan folgendermaßen beschrieben: „Die Schülerinnen und Schüler sollen eine rationale Weltsicht erwerben, aktiv die spezifische Arbeitsweise der Physik und ihre Bedeutung als Grundlagenwissenschaft erkennen und damit beurteilen lernen, welche Beiträge zu persönlichen und gesellschaftlichen Entscheidungen physikalische Methoden liefern können. Weiters sollen sie die Bedeutung physikalischer Phänomene und Konzepte im Alltag und in der Umwelt und für die Welterkenntnis erfassen und für ihre Lebensgestaltung nutzen. Dadurch sollen die Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Vorläufigkeit von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen erhalten und die Bedeutung neuer Sichtweisen bei anstehenden Problemen sowie die Physik als schöpferische Leistung der Menschheit … erkennen. Der Physikunterricht hat einen wichtigen Beitrag zur Berufsorientierung und der persönlichen Berufswahl zu leisten.“ Die Betonung der „Kompetenzorientierung“ soll die Ziele der AHS und des Fachunterrichts stärker hervorheben. Kompetent sein bedeutet, auf der Basis von Wissen handeln zu können. Physikalische Grundbildung besteht aus drei wesentlichen Bereichen. Der Physikunterricht hilft dir, Kompetenzen aus allen drei folgenden Bereichen auf Basis der Lerninhalte zu erwerben und zu vertiefen. 2 Liebe Schülerin, lieber Schüler! S: Standpunkte begründen und Meinungen vertreten In diesem Bereich erwirbst du die Fähigkeit, naturwissenschaftlich begründet zu argumentieren und am gesellschaftlichen Diskurs teilzunehmen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: S1 Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen auf persönlicher, regionaler und globaler Ebene erkennen, um verantwortungsbewusst handeln zu können. S2 Naturwissenschaftliche von nicht-naturwissenschaftlichen Argumentationen und Fragestellungen unterscheiden. S3 Informationen aus unterschiedlich verlässlichen Quellen aus naturwissenschaftlicher Sicht und aus anderen Blickwinkeln (z. B. ökonomisch, ökologisch, ethisch) reflektieren S4 Entscheidungskriterien für das eigene Handeln entwickeln und aus naturwissenschaftlicher Sicht überprüfen. E: Experimentieren und Erkenntnisgewinnung In diesem Bereich erwirbst du Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit physikalischen Arbeitsweisen. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: E1 Zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Alltag und Technik naturwissenschaftliche Fragen formulieren und Hypothesen aufstellen. E2 Zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experiment planen, durchführen und protokollieren. E3 Im Rahmen naturwissenschaftlicher Untersuchungen oder Experimente Daten aufnehmen und analysieren (ordnen, vergleichen, messen, Abhängigkeiten feststellen, Zuverlässigkeit einschätzen). E4 Daten durch mathematische und physikalische Modelle abbilden und interpretieren. W: Fachwissen In diesem Bereich erwirbst du physikalisches Fachwissen und wendest dieses Fachwissen in verschiedenen Kontexten an. Dieser Bereich betrifft folgende Kompetenzen: W1 Vorgänge und Phänomene in Natur, Alltag und Technik beschreiben und benennen. W2 Mit Informationen aus fachlichen Medien und Quellen umgehen. W3 Vorgänge und Phänomene in Natur, Alltag und Technik in verschiedenen Formen (Bild, Grafik, Tabelle, Diagramm, formale Zusammenhänge, Modelle ...) darstellen, erläutern und adressatengerecht kommunizieren. W4 Fachwissen in unterschiedlichen Kontexten anwenden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
3 Kompetenzbereich: Bereich E = Energie T = Theorieentwicklung Kennzeichnung: Klasse.Semester Inhaltsverzeichnis So arbeitest du mit Sexl Physik 4 Einblicke in aktuelle Forschung 6 Elektrodynamik 9 1 Grundlagen der Elektrotechnik (RG 7.1/G 7.1) 10 1.1 Das Induktionsgesetz 10 1.2 Generator und Motor 14 1.3 Wechselstrom und Wechselspannung 16 1.4 Transformator 19 1.5 Elektrische Energieübertragung 20 Praxis und Vertiefung 22 2 Energieversorgung (RG 7.1/G 7.1) 24 Praxis und Vertiefung 32 3 Halbleiter (RG 7.1/G 7.1) 34 3.1 Was sind Halbleiter? 35 3.2 Dioden und Transistoren 35 3.3 Optoelektronische Bauelemente 38 Praxis und Vertiefung 40 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen (RG 7.1/G 7.1) 42 4.1 Der Schwingkreis 43 4.2 Entstehung elektromagnetischer Wellen 45 4.3 Elektromagnetische Wellen übertragen Energie 47 4.4 Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen 50 4.5 Biologische Wirkung elektromagnetischer Felder 54 Praxis und Vertiefung 56 Kurz gesagt 58 Licht 59 1 Reflexion und Brechung (RG 7.1/G 7.1) 60 1.1 Wie schnell ist Licht? 60 1.2 Reflexion und Brechung des Lichts 61 1.3 Die Spektralfarben des Lichts 65 Praxis und Vertiefung 68 2 Beugung und Interferenz des Lichts (RG 7.1/G 7.1) 70 2.1 Die Beugung am Spalt 70 2.2 Die Beugung am Strichgitter 72 2.3 Polarisation des Lichts 74 Praxis und Vertiefung 78 Kurz gesagt 80 Temperaturstrahlung und Klima 81 1 Temperaturstrahlung (RG 7.1/G 7.2) 82 1.1 Der schwarze Strahler 82 1.2 Das Wien’sche Verschiebungsgesetz 83 1.3 Das Stefan-Boltzmann’sche Gesetz 83 2 Der Treibhauseffekt (RG 7.1/G 7.2) 84 2.1 Berechnung der Temperatur der Erde 84 2.2 Der Treibhauseffekt 85 2.3 Zukunftsszenarien 87 Praxis und Vertiefung 90 Kurz gesagt 92 Quanten und Atome 93 1 Licht – Wandel des physikalischen Weltbilds (RG 7.2/G 7.2) 94 Praxis und Vertiefung 99 2 Grundideen der Quantenphysik (RG 7.2/G 7.2) 100 2.1 Photonen – Lichtteilchen 100 2.2 Lichtteilchen und Lichtwellen 104 2.3 Materiewellen 105 2.4 Die Heisenberg’sche Unschärferelation 108 2.5 Beispiele zur Unschärferelation 110 2.6 Quantenobjekt: Polarisiertes Licht 112 2.7 Erkenntnisprobleme der Quantenphysik 113 2.8 Verschränkung – das EPR-Experiment 114 2.9 Optik mit Elektronen: Elektronenmikroskopie 115 Praxis und Vertiefung 116 3 Aufbau von Atomen (RG 7.2/G 7.2) 118 3.1 Atommodelle – Rutherford und Bohr 118 3.2 Quantisierung der Energie – stehende Wellen 121 3.3 Atome mit mehreren Elektronen: Periodensystem 123 3.4 Laser 124 Praxis und Vertiefung 126 Kurz gesagt 127 Anhang Lösungen 128 Register 135 Tabellen 137 Elektrodynamik Erweiterung Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Wellen E T Strahlungshaushalt der Erde Quantenphysik Atomphysik y2rj63 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Angenommen, wir wissen, wo ein Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt ist und welche Geschwindigkeit er hat. Wenn wir auch die Kräfte kennen, die auf den Körper wirken, können wir die weitere Bewegung des Körpers vorhersagen. Das gilt für Flugzeuge und Züge, aber auch für Raumsonden. Zum Beispiel konnte man berechnen, wann die Raumsonde Voyager 1 beim Planeten Jupiter vorbeikommen und wann sie unser Planetensystem verlassen würde. Derartige Berechnungen gehören zu den wichtigen Aufgaben der Physik und der Technik. Voraussetzung für solche Berechnungen sind genaue Orts-, Geschwindigkeits- und Zeitangaben der Objekte. Die Ansprüche an die Genauigkeit sind mit der Zeit gewachsen. Vor 400 Jahren maß Galilei die Zeit mit seinem Pulsschlag. Heute werden Zeitdauern auf milliardstel Sekunden gemessen, in der Quantenphysik werden Längen auf milliardstel Millimeter genau bestimmt. 1.1 Die Messung der Zeit Was ist Zeit? Die Frage wird von der Philosophie, der Psychologie, der Biologie und der Physik jeweils anders beantwortet (14.1). Augustinus (354–430 n. Chr.) bemerkte dazu: „Was ist Zeit? Wenn niemand mich danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht.“ In der Physik dachte man lange, dass es eine absolute Zeit gäbe, die unabhängig von uns Menschen und unabhängig vom Kosmos gleichmäßig verstreicht. Wir wissen heute, dass dieser Zeitbegriff nur dann gilt, wenn wir in den Dimensionen des Alltags denken. Große Massen, wie wir sie etwa bei Sternen finden, aber auch hohe Geschwindigkeiten verändern den Gang der Uhren (14.2). Für die physikalische Größe Zeit benützt man die Abkürzung t. Um eine beliebige Zeitdauer messen zu können, benötigen wir eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit (vgl. Kasten „Was heißt messen?“, siehe S. 18). Ein natürliches Zeitmaß ist der Wechsel von Tag und Nacht. Schon in der römischen Antike teilte man die Zeit zwischen zwei Sonnenhöchstständen – also den vollen Tag – in 24 Stunden auf. Die Stunde wiederum unterteilt man in 60 Minuten, 1 Minute in 60 Sekunden. Ursprüngliche Definition: 1 Sekunde ist der 86 400 ste Teil eines mittleren Sonnentages. Diese Definition berücksichtigt, dass sich wegen der ungleichmäßigen Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne, die Länge eines Tages im Laufe eines Jahres ändert. Die Sekunde (abgekürzt s) ist im Internationalen Einheitensystem (SI-System, siehe Kasten siehe S. 18) die Einheit für die Zeit. Zur Messung der Mondentfernung werden seit 1969 Laserblitze auf einen von den Apollo-Astronauten aufgestellten Reflektor gerichtet. Wie genau kann man auf diese Weise die Entfernung des Mondes bestimmen? Der Anspruch an die Genauigkeit der Messung hat sich in den letzten Jahrzehnten erhöht. Daher wird seit 1967 die Dauer einer Sekunde mittels Atomuhren festgelegt. Dabei nutzt man Licht, das von Cäsium-Atomen abgestrahlt wird, und die Tatsache, dass Schwingungen des Lichts völlig gleichmäßig erfolgen. Atomuhren, wie sie etwa für das GPS-System verwendet werden, sind so genau, dass sie erst nach 10 000 Jahren einen Fehler von maximal 1 s aufweisen würden. Präzisionsuhren, wie sie in der Forschung verwendet werden, sind noch wesentlich genauer (15.2). Die Zeitangabe, die wir mittels Funkuhren oder über Radio, Fernsehen oder Internet erhalten, erfolgt aufgrund eines weltweiten Netzes von mehr als 260 Atomuhren. Dieses Zeitsystem wird als Weltzeit oder Coordinated Universal Time (UTC) bezeichnet. Die Atomuhren zeigen, dass die Erddrehung langsamer wird. Ein mittlerer Sonnentag hat daher nicht exakt 86 400 Sekunden, sondern etwas mehr. Zu Jahresende wird daher hin und wieder eine Schaltsekunde eingefügt. In der Physik untersucht man sehr große, aber auch winzig kleine Zeiträume: Das Weltall existiert nach heutiger Ansicht ca. 13 Milliarden Jahre, manche Elementarteilchen zerfallen nach einigen milliardstel Sekunden. Verwenden von Zehnerpotenzen Für die Darstellung sehr kleiner oder sehr großer Zahlen benutzt man häufig die Schreibweise mit den Potenzen der Zahl 10 (15.3). Die Zahl 104 bedeutet 10·10·10·10 = 10 000. Eine negative Hochzahl mit der Basis 10 bedeutet den Kehrwert der Zahl mit der positiven Hochzahl, also 10–4 = 1/104 = 1/10 000. Das Alter des Weltalls von 13 000 000 000 Jahren kann daher auch als 13·109 oder 1,3·1010 Jahre geschrieben werden. Der Durchmesser eines Urankerns beträgt ca. 15·10–15 m = 0,000 000 000 000 015 m. Untersuche, überlege, forsche: Zeitmessung 15.1 W1 Überprüfe die Behauptung: Ein guter Näherungswert für die Dauer eines Jahres von 365 Tagen in Sekunden ist π·107 Sekunden. 15.2 Bei Reisen über große Distanzen müssen die Zeitzonen beachtet werden. Die Weltzeit (UTC) stimmt mit der lokalen Uhrzeit (GMT = Greenwich Mean Time) am nullten Längengrad (Meridian der Sternwarte Greenwich in London) überein. W2 a) Finde heraus, welche Zeitzonen es gibt. S1 b) In China gibt es nur eine Zeitzone, in Russland dagegen neun. Erörtere, was das für Menschen bedeutet, die in diesen Ländern wohnen. W4 c) Wenn du in Europa reist, kann es passieren, dass du deine Uhr verstellen musst. Erkläre dies anhand einer „fiktiven“ Reise durch Europa. S2 d) Beschreibe Auswirkungen der Unterschiede der lokalen Zeiten auf Menschen bei Fernreisen und im Geschäftswesen. 15.3 W2 Funkuhren sind Quarzuhren, die per Funk ein Zeitsignal erhalten, das über Funk ständig nachreguliert wird. Recherchiere, wie Funkuhren in Mitteleuropa synchronisiert werden. Experiment: Dauer einer Pendelschwingung 15.1 Du brauchst: Eine 1 m lange Schnur, einen „Pendelkörper“ (z. B. Metallkugel), eine Stoppuhr E3 a) Fertige ein Pendel an und lass es schwingen. Miss mittels Stoppuhr die Dauer einer Pendelschwingung. Das ist die Zeit, die das Pendel benötigt, um in die Ausgangslage zurückzukehren. Arbeitet in Teams und vergleicht die Ergebnisse. Diskutiert, wie eventuelle Unterschiede in euren Messdaten zustande kommen können und wie genau das Ergebnis überhaupt sein soll. E4 b) Die Genauigkeit einer Messung kannst du verbessern, indem du die Dauer von mehreren Schwingungen misst und das Ergebnis durch die Zahl der Schwingungen dividierst (Mittelwert berechnen!). Durch mehrmalige Wiederholung der Messung kannst du den Mittelwert und die maximale Abweichung davon bestimmen (siehe Kasten S. 18). E4 c) Diskutiert mögliche Fehlerquellen und das Resultat. 15.1 Die Kenntnis des Stands der Sonne zu verschiedenen Tageszeiten und im Laufe eines Jahres ermöglicht die Bestimmung der Zeit. Bastle selbst eine Sonnenuhr! Anleitungen dazu findet du im Internet. 15.2 Die primäre Atomuhr, mit der die UTC realisiert wird. Die Uhr befindet sich in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Atomuhr des Labors ist mit Uhren anderer Labors weltweit synchronisiert. Von den Labors wird die Zeitangabe per Funk an die einzelnen Landesstellen weitergegeben. 15.3 Es ist üblich, Vielfache oder Teile der festgelegten Maßeinheit mit bestimmten Vorsilben zu benennen, die durch ein internationales Übereinkommen geregelt sind. Vorsilbe Abkürzung Faktor Peta P 1015 Tera T 1012 Giga G 109 Mega M 106 Kilo k 103 Hekto h 102 Deka da 101 Dezi d 10–1 Zenti c 10–2 Milli m 10–3 Mikro μ 10–6 Nano n 10–9 Piko p 10–12 Femto f 10–15 Atto a 10–18 14.1 Schmelzende Zeitmesser in dem Gemälde „Das Beharren der Erinnerung“ von Salvador Dali (1931). Zeit ist nicht nur in unserem persönlichen Erleben, sondern auch in Philosophie und Kunst ein wichtiges Thema. 14.2 Albert einstein (1879–1955) Einstein hat 1905 gezeigt, dass es keine absolute Zeit gibt. Uhren, die sich relativ zu uns bewegen, gehen im Vergleich zu unseren Uhren langsamer. 15 Größenordnungen 14 Größenordnungen 1 Die Grundgrößen Zeit und Länge Die Grundgrößen Zeit und Länge In diesem Kapitel erfährst du, – wie man in der Physik Zeiten und Längen misst, – in welchen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen die Physik arbeitet. 1 Überlege dir eine Antwort auf die Einstiegsfrage und überprüfe deine Vermutung auf der abschließenden Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Blaue Kästen enthalten weiterführende Inhalte, die teilweise über den Lehrstoff hinausgehen und zum Nachdenken anregen sollen. Sie helfen aber auch den gerade gelernten Stoff anhand konkreter (Alltags-) Beispiele noch begreiflicher zu machen bzw. zu vertiefen. In den Sprechblasen finden sich Zitate von bekannten Persönlichkeiten sowie genauere Begriffsdefinitionen, die helfen sollen, Fachsprache von Alltagssprache zu unterscheiden. Grüne Kästen enthalten Beispiele und Anregungen für einen „nachhaltigeren“ und effizienteren Umgang mit Ressourcen. Weitere Elemente im Buch: Im gelben Kasten findest du wichtiges Merkwissen kompakt zusammengefasst. Bei Experimenten kannst du deine Experimentierkenntnisse unter Beweis stellen! Demonstrationsexperimente sollen nur von der Lehrperson durchgeführt werden. In diesem Kompetenzbereich befindest du dich gerade. Die „Untersuche, überlege, forsche“-Aufgaben fördern dein selbstständiges Arbeiten. Die Lösungen dazu findest du am Ende des Buchs. Das Taschenrechnersymbol zeigt dir Aufgaben mit Bezug zur Mathematik. Zeigt dir das Kapitel an, in dem du dich gerade befindest. Verweis auf eine Abbildung. Beispielseite aus Sexl Physik 5 4 So arbeitest du mit Sexl Physik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Antwort auf die Eingangsfrage Warum sind die Astronautinnen und Astronauten mit Seilen mit dem Satelliten verbunden? Könnten sie im Weltall verloren gehen? Im Film Gravity (2013) führen Astronautinnen und Astronauten Reparaturarbeiten am Weltraumteleskop Hubble durch (42.1). Sie erfahren, dass ein russischer Satellit zerstört wurde und die Trümmerteile im Orbit treiben. Die Trümmerteile schlagen kurz darauf ein, das Raumschiff wird zerstört. Der Funkkontakt zur Bodenstation reißt ab, die Astronautinnen und Astronauten werden vom Schiff weggeschleudert. Eine Astronautin kann sich mit den Schubdüsen ihres Düsenrucksacks retten, ein Astronaut entfernt sich und treibt in die Umlaufbahn der Erde. Der Film wurde unter Beratung hochrangiger wissenschaftlicher Institute gedreht, und die Fakten sind, von einigen Details abgesehen, korrekt dargestellt. Tatsächlich gibt es in der Umlaufbahn der Erde zahlreiche Trümmerteile, die mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s durch den Weltraum rasen und (als sogenannter Weltraumschrott) Satelliten und Weltraumstationen gefährden. Sie bewegen sich, genauso wie der Mond und die Meteoriten, ohne Antrieb um die Erde, sondern allein aufgrund der Trägheit. Allerdings ist es bisher noch nie passiert, dass ein Mensch nicht mehr zur Kapsel zurückkehren konnte. Bei Außenarbeiten müssen Astronautinnen und Astronauten angeschnallt bleiben. Nach dem Wechselwirkungsgesetz (siehe nächstes Kapitel) bewirkt auch die geringste Krafteinwirkung des Astronauten oder der Astronautin auf die Kapsel eine gleich große Gegenkraft, die von der Kapsel wegweist und dazu führt, dass sich der Astronaut oder die Astronautin von der Kapsel entfernt. Da es im Weltall keine Reibung gibt, die diese Bewegung stoppen könnte, wird er oder sie wohl unendlich lange durch das Weltall schweben. Es sei denn, er oder sie wird vom Schwerefeld eines anderen Körpers eingefangen. Wobei jedenfalls bald die Versorgung mit Atemluft zum Problem werden würde. Retten könnte sich der der Astronaut oder die Astronautin nur, wie im Film gezeigt, mit Schubdüsen. 42.1 Ausschnitt aus dem Film Gravity 1 E1 S3 Die Beschreibung der Bewegung der Erde war ein wesentlicher Schritt in der historischen Entwicklung der Physik. a) Beschreibe die Bewegung der Sonne im Laufe eines Tages. Betrachte den Nachthimmel, suche den Großen Wagen und beschreibe seine Bewegung über einen längeren Zeitraum. Erkläre deine Beobachtungen. b) Was würde Galilei zu deinen Erklärungen sagen? Würde er sie widerlegen oder bestätigen? Schreibe alle deine Beobachtungen und Erklärungen auf und verfasse einen fiktiven Dialog zwischen dir und Galilei. 2 W2 Die Auseinandersetzung Galileis mit der Kirche ist Thema zahlreicher historischer Arbeiten. Was waren die zentralen Diskussionspunkte? Recherchiere dazu im Internet und fasse deine Ergebnisse in einem Aufsatz zusammen oder halte ein Referat, zum Beispiel im Geschichtsunterricht. 3 S1 Bert Brecht schrieb das Theaterstück „Leben des Galilei“. Recherchiere Inhalt und Thematik. Interpretiere die Aussage des Theaterstücks und nimm dazu Stellung. 4 E2 E2 E4 Kräfte kann man messen. a) Denk dir eine Methode aus, wie du deine Muskelkraft mit Hilfe eines Expanders (Therabands) messen kannst, und erläutere, wie du vorgehst. b) Zeige mit Federwaagen, wie man Kräfte als Resultierende ihrer Komponenten darstellen kann. c) Erkläre am Beispiel des Therabands das Hooke’sche Gesetz. 5 W4 Isaac Newton war ein bedeutender Physiker. Erkläre seine Bedeutung für die Entwicklung der Physik. Beschreibe die Zeit, in der er lebte. Verfasse eine biografische Skizze. 6 W2 Informiere dich, wie vor mehr als 4 000 Jahren in Ägypten große Pyramiden aus Stein errichtet wurden. 7 W3 Schiefe Ebenen spielen auch heute eine wichtige Rolle, etwa bei Seilbahnen oder Bergstraßen. Erkläre anhand zweier Beispiele mittels Grafiken die technischen Grundlagen. 8 W4 Beschreibe den Nutzen von Federungen für Fahrzeuge. Bestimme die verschiedenen Arten von Federn in der Fahrzeugtechnik. Frage dazu in einer Autowerkstatt nach. Weiterführende Fragestellungen 1 Welche Aussage über ein Inertialsystem trifft zu? Kreuze die richtige Antwort an. a) Die Erde ist ein Inertialsystem. b) Das Sonnensystem ist ein Inertialsystem. c) In einem Inertialsystem gilt das Trägheitsgesetz. 2 Beschreibe eine Methode, mit der man die Bewegung der Erde um die Sonne beweisen kann. 3 Beschreibe den Zusammenhang zwischen dem ersten und dem zweiten Newton’schen Gesetz. 4 Markiere die richtige Aussage: a) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Geschwindigkeit von 1 m/s. b) Ein Körper erhält durch die Wirkung von 1 N eine Beschleunigung von 1 m/s2. c) Ein Körper mit 1 kg Masse wird durch 1 N mit 1 m/s2 beschleunigt. 5 Erkläre den Begriff „Gewicht“. Ermittle dein eigenes Gewicht. 6 Kräfte werden vektoriell addiert. Zeichne die Addition für a) Kräfte, die parallel und gleichgerichtet sind. b) Kräfte, die parallel und entgegengesetzt gerichtet sind. c) Kräfte, die einen beliebigen Winkel einschließen. 7 Zeichne in der Abb. 43.1 die wirkenden Kräfte ein. 8 Auf einen Körper wirken gleichzeitig Kräfte von 3 N und von 4 N ein. Die Kräfte schließen miteinander einen Winkel von 90° ein. Bestimme die gesamte wirkende Kraft und kreuze die richtige Antwort an. a) 3 N b) 5 N c) 4 N d) 7 N Teste dein Wissen 43.1 Wurfbahn eines Balls unter Vernachlässigung des Luftwiderstands. 1 Die Beschleunigung bei verschiedenen Autos kann stark variieren. a) Ein Auto (m = 900 kg) benötigt 11 s, um aus dem Stand auf 80 km/h zu kommen. Bestimme die durchschnittliche Beschleunigung und die durchschnittliche Kraft des Motors. b) Bestimme dieselben Werte für das folgende E-Auto: m = 2 000 kg, das E-Auto benötigt 6,1 s, um aus dem Stand auf 100 km/h zu kommen. 2 Bei Crashtests wird mit Dummys untersucht, welche Kraft bei einem Frontalzusammenstoß auf den Sicherheitsgurt wirkt. Dabei wird das Auto in 0,25 s aus einer Geschwindigkeit von 64 km/h zum Stillstand gebracht. Der Dummy hat eine Masse von 60 kg. a) Bestimme die Kraft, die auf den Gurt wirkt. b) Analysiere, ob eine Gefahr besteht, wenn man sich mit den Armen am Lenkrad abstützt statt einen Sicherheitsgurt zu verwenden. 3 An eine Schraubenfeder mit der Federkonstante k = 10 N/m wird ein Körper der Masse m = 60 g gehängt. a) Ermittle die Dehnung der Feder auf der Erde. b) Wie groß wäre die Dehnung auf dem Mond? Vergleiche. 4 Der mittlere Steigungswinkel der Bergisel-Schanze (43.2) beträgt rund 29°, die Höhendifferenz rund 50 m. Ermittle die Endgeschwindigkeit der Sportlerinnen und Sportler in der Anlaufspur. 43.2 Bergisel-Schanze in Innsbruck Rechenaufgaben 42 43 1 Die Newton’schen Gesetze Mechanik I Mechanik I Praxis und Vertiefung … wird die Einstiegsfrage ausführlich beantwortet. … sollen die weiterführenden Fragestellungen ein Angebot sein, sich mit einer Frage bzw. einem Thema genauer auseinanderzusetzen und einen Blick „über den Tellerrand hinaus“ bieten. … findest du „Teste dein Wissen“-Fragen, mit denen du die wichtigsten Erkenntnisse des Kapitels selbst überprüfen kannst. … kannst du mit Rechenaufgaben physikalische Fragen aus dem Alltag beantworten, um auch mit konkreten Zahlen argumentieren zu können. Am Ende jedes Kapitels findest du die Doppelseite „Praxis und Vertiefung“. Hier … Digitale Zusatzmaterialien 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/ Video aus der App-Medienliste aus. QuickMedia App Android iOS Beispielseite aus Sexl Physik 5 5 Online-Codes: Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu unserem digitalen Zusatzmaterial (z. B. Simulationen oder Lösungen) weitergeleitet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Univ.-Prof. Dr. Francesca Ferlaino Warum habe ich Physik studiert? Ich wuchs in Neapel auf, umgeben von einer reichen Mischung aus Kultur und Neugier. Schon früh interessierte mich, wie technische und natürliche Prozesse ablaufen. Ein prägendes Erlebnis hatte ich mit zwölf Jahren bei einer Schulreise zu einem Kernkraftwerk: Die Vorstellung, dass man Atome spalten kann, um Energie zu erzeugen, faszinierte mich zutiefst. Dieses Erlebnis weckte mein Interesse an den Naturgesetzen, doch erst in der Oberstufe wurde mir während einer Universitätsvorlesung endgültig klar, dass Physik meine Leidenschaft ist. Ich besuchte ein Gymnasium mit Schwerpunkt auf Latein und Altgriechisch, in dem sehr wenig Mathematik und fast gar keine Physik unterrichtet wurde. Damals wusste ich nur sehr wenig über das Fach, doch während dieses Universitätsbesuchs, als ich der Vorlesung lauschte, war ich vollkommen fasziniert. Der Professor erklärte hochkomplexe Konzepte mit solcher Klarheit und Begeisterung, dass ich wusste: Dies war das Fach, in dem ich meine Neugier über die fundamentalen Mechanismen der Welt stillen konnte. Ich entschied mich für ein Physikstudium an der Universität Neapel, wo ich meinen Masterabschluss erlangte. Danach zog ich nach Florenz, um am Europäischen Labor für Nichtlineare Spektroskopie (LENS) meine Doktorarbeit zu schreiben. Während meiner Promotion tauchte ich tief in die Quantenphysik ein – und war von diesem Moment an vollkommen gefesselt. Die Welt der Teilchen auf kleinster Skala erschien mir fast magisch, aber zugleich logisch und mathematisch greifbar. In Süditalien sagt man: „Wo Genuss ist, ist nichts verloren.“ Es bedeutet, dass man nie falsch liegt, wenn man einer Leidenschaft folgt! Mein erster Mentor wiederholte diese Worte oft und bestärkte mich darin, meinen eigenen Weg zu gehen. Diese Einstellung begleitete mich auf meiner gesamten akademischen Laufbahn. Was sind meine heutigen Aufgaben/Interessen? Wo sehe ich künftige Entwicklungen? Nach meiner Promotion zog ich 2006 nach Innsbruck, um in der Forschungsgruppe des Experimentalphysikers Rudolf Grimm zu arbeiten – eine Entscheidung, die sich als prägend für meine wissenschaftliche und persönliche Entwicklung herausstellte. Ursprünglich wollte ich nur einige Monate bleiben, doch daraus sind nun zwei Jahrzehnte geworden. In Innsbruck fand ich meine berufliche Heimat und den idealen Platz, um meine Ideen umzusetzen. Heute liegt mein Forschungsschwerpunkt im Bereich der ultrakalten Quantengase. Ich beschäftige mich mit exotischen Materiezuständen und fundamentalen Quantenphänomenen, die langfristig auch Anwendungen in der Quantensimulation oder den Materialwissenschaften finden könnten. Besonders fasziniert mich, wie sich abstrakte theoretische Konzepte experimentell realisieren lassen. Derzeit leite ich eine Forschungsgruppe, die sich mit neuen Quantenphasen beschäftigt. Wir setzen modernste Lasertechnologie ein, um einzelne Atome auf wenige Nanokelvin abzukühlen und so neue physikalische Regime zu erschließen. Die Möglichkeit, Materie in solch kontrollierten Zuständen zu untersuchen, erweitert unser Verständnis und könnte Grundlagen für zukünftige technologische Entwicklungen legen. Es ist mir besonders wichtig, junge Menschen, insbesondere Mädchen, die heute in Physikstudiengängen noch unterrepräsentiert sind, für die Naturwissenschaften zu begeistern. Als Mentor*in setze ich mich dafür ein, dass sich alle – unabhängig vom Geschlecht – in der Physik und verwandten Disziplinen willkommen fühlen und die Wissenschaft voranbringen können. Die Quantenwissenschaften bieten enorme Chancen, und denkt mal darüber nach: Elektronen, Schwerkraft und Atome kümmern sich nicht um Geschlecht – genauso wenig wie das Physikstudium! Wir haben deshalb die Plattform www.atominnen.at ins Leben gerufen! 6.1 Francesca Ferlaino ist Professorin für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck und Wissenschaftliche Direktorin am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck. Im Jahr 2023 wurde sie mit dem Grete Rehor-Staatspreis, dem österreichischen Staatspreis für Frauen, für ihr Engagement zur Geschlechtergleichstellung in der Quantenphysik ausgezeichnet. 2024 folgte die Ehrung als „Österreicherin des Jahres“ in der Kategorie Forschung. 6.2 Francesca Ferlaino freut sich über die Auszeichnung als Wissenschafterin des Jahres 2025 für ihre Vermittlungsarbeit zur Quantenforschung. 6 Einblicke in aktuelle Forschung Auf diesen Seiten erfährst du, – Details aus dem Forschungsalltag von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern. – mehr über die fachlichen Hintergründe und die Entwicklung, die man als Forscherin bzw. Forscher durchmacht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Univ.-Prof. Dr. Anton Zeilinger Anton Zeilinger (7.1) ist gegenwärtig einer der bedeutendsten Forscher auf dem Gebiet der Quantenphysik. Er hat mit neuartigen Experimenten gezeigt, wie sehr die Welt der kleinsten Teilchen unseren Alltagserfahrungen widerspricht. Schon als Schüler interessierte sich Zeilinger besonders für Mathematik und Naturwissenschaften. Er studierte Physik an der Universität Wien und arbeitete im Laufe seiner Karriere an österreichischen (Innsbruck und Wien) und internationalen Universitäten, etwa am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA. Für seine Arbeiten über grundlegende Eigenschaften von Lichtteilchen (Photonen) erhielt er gemeinsam mit zwei weiteren Pionieren der Quantenphysik im Jahr 2022 den Nobelpreis für Physik. Zeilinger gelang es, so genannte Quantenverschränkungen gezielt zu nutzen. Quantenverschränkung bedeutet, dass zwei Teilchen so miteinander verbunden sind, dass ihre Eigenschaften voneinander abhängen. Misst man eine Eigenschaft eines Teilchens, ist damit sofort die Eigenschaft des anderen festgelegt – selbst wenn beide weit voneinander entfernt sind. Das bedeutet nicht, dass Information schneller als Licht übertragen wurde, sondern zeigt einen Wesenszug der Quantenphysik. Zeilingers Experimente lassen nicht nur die Verschränkung von Zwei- und Mehrteilchensystemen verstehen, sie bilden auch die Grundlage moderner Technologien wie Quantenkryptografie (abhörsichere Kommunikation), Quantencomputer und Quanteninternet. Neben Forschung war es Zeilinger immer wichtig, Wissenschaft verständlich zu erklären – auch für Menschen ohne Fachwissen. Dadurch wurde er zu einem der bekanntesten Wissenschafter Österreichs. Univ.-Doz. Dr. Ingeborg Hochmair-Desoyer Ingeborg Hochmair-Desoyer ist eine Pionierin der Medizintechnik und eine der wichtigsten österreichischen Erfinderinnen mit über 100 wissenschaftlichen Publikationen und mehr als 50 Patenten. Sie wuchs in Wien in einer Technikerfamilie auf und interessierte sich bereits früh für Elektrotechnik, Naturwissenschaften und Medizin. Sie studierte an der TU Wien und war 1979 die erste Frau, die dort in Elektrotechnik promovierte. Ihre Mission sieht sie nach 50 Jahren aktiver Forschung und Entwicklung weiterhin darin, Menschen mit Hörverlust das Hören mittels implantierter elektronischer Prothesen zu ermöglichen. Ihr Ehemann Prof. Dr. Erwin Hochmair erwies sich auch in fachlicher Hinsicht als idealer Partner (7.2). Bereits nach zweijähriger Entwicklung konnten sie 1977 das weltweit erste mikroelektronische Implantat für die Gehörschnecke, die sog. Cochlea, fertigstellen. Hörimplantate wandeln Schall in elektrische Signale um und stimulieren direkt den Hörnerv. Dadurch können stark schwerhörige oder gehörlose Menschen Sprache verstehen und hören lernen. Mit ständig weiterentwickelten Implantaten wird ein nahezu natürliches Hörerlebnis erreicht. 1986 gründete sie die Firma MED-EL in Innsbruck, heute ein weltweit führender Hersteller von Hörimplantaten. Ihre Erfindung hat bereits Hunderttausenden geholfen und gilt als Meilenstein der Bionik, der Verbindung von Technik und Biologie. 7.1 Anton Zeilinger (geb. 1945) hat es sich zur Regel gemacht, seinen „Spinnereien“ zu vertrauen, statt dem Mainstream zu folgen. Dadurch konnte er bahnbrechende Einblicke in Grundlagen der Quantenphysik erhalten. Durch die Gründung des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) stärkten er und Physikerinnen und Physiker der Uni Innsbruck die Quantenforschung in Österreich. 7.2 Das Erfinderpaar Ingeborg und Erwin Hochmair wurde auch international vielfach mit Preisen geehrt. 7 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise – Hörhilfen werden stetig verbessert Ein Beispiel, wie die physikalische Forschung zunächst auf grundlegende Erkenntnisse und dann sehr schnell zu praktischen Anwendungen führt, ist die Halbleiterphysik (siehe S. 35). Die Ergebnisse der Grundlagenforschung in der ersten Hälfte des 20. Jh. führten ab 1960 zur Entwicklung der Halbleiterindustrie. Den Ersatz von menschlicher Arbeitskraft durch die Dampfmaschine bezeichnet man als industrielle Revolution, den Wandel der Technik (Steuerungstechnik und Kommunikationswesen) und unseres Nutzungsverhaltens als digitale Revolution. Die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile durch Transistoren und integrierte Schaltkreise hat neben vielen anderen Anwendungen den PC, den Personal Computer in seinen vielfältigen Formen, und die Mobiltelefonie ermöglicht. Am medizinischen Beispiel der Hörprothese für das Innenohr, einer österreichischen Entwicklung, wird das Zusammenspiel von Grundlagenforschung und Anwendung deutlich. Bei taub geborenen Kindern mit intaktem Hörnerv und auch bei später Ertaubten fehlen oft die Haarzellen in der Gehörschnecke (lat. Cochlea), welche die Schallwellen in Nervenimpulse umwandeln. Cochlea-Implantate können diesen Personen das Hören ermöglichen. Dazu werden Fasern des Hörnervs direkt durch eine in die Cochlea eingeführte Elektrode stimuliert (8.1–8.3). Im Signalprozessor wird der Schall nach Frequenz und Lautstärke analysiert und digitalisiert. Der Signalprozessor (mit Mikrofon und kleiner Batterie) wird hinter dem Ohr getragen. Information und Energie werden durch hochfrequente elektromagnetische Schwingungen an den Stimulator übertragen, der unter der Kopfhaut implantiert ist. Dieser erzeugt elektrische Pulse, die über feine elektrische Leitungen in der Elektrode Nervenfasern des Hörnervs in der Cochlea aktivieren. Die elektrischen Impulse der Nervenfasern erreichen schließlich das Hörzentrum im Gehirn, wo die akustischen Informationen bewusst werden. Das Cochlea-Implantat ermöglicht Hören in einem Frequenzbereich von 70 Hz bis über 8 000 Hz. Das reicht für Sprachverständnis und Musikhören. Da die gesamte Information über nur 12 Kontakte übertragen wird (zum Vergleich: Im gesunden Ohr gibt es etwa 20 000 Nervenfasern), ist der Musikgenuss etwas eingeschränkt, während die Sprache robuster ist und weniger strenge Anforderungen an die Signalverarbeitung stellt. Von der Idee im Jahr 1975 zur ersten implantierten Elektrode vergingen nur zwei Jahre, aber erst die Miniaturisierung der Elektronik erlaubte ab 1989 den Bau der kompakten implantierbaren Geräte. Die Implantate von MED-EL werden in Innsbruck individuell für jede Patientin und jeden Patienten hergestellt und weltweit verwendet. Untersuche, überlege, forsche: Hörhilfen 8.1 S2 Überlege, warum es besonders für taub geborene Kleinkinder wichtig ist, eine Hörprothese zu erhalten. 8.1 Beim Cochlea-Implantat wird der Hörnerv (7) nicht durch die Haarzellen, sondern durch elektrische Wechselspannungen an Kontaktstellen einer Elektrode mit der Gehörschnecke (lat. Cochlea) (6) stimuliert. Der Signalprozessor (1) mit Mikrofon, Elektronik und Leitung (2) zur Sendespule wird außen am Ohr getragen. Er transformiert den Schall in elektrische Impulse für die externe Sendespule (3). Unter der Kopfhaut liegt der Empfänger mit der Empfangsspule (4) und der Elektrode (5), die in die Gehörschnecke reicht. 3 4 6 5 7 2 1 8.2 Die in die Gehörschnecke eingesetzte Elektrode stimuliert mit ihren Kontakten mittels Wechselspannung einzelne Fasern des Hörnervs. 8.3 Implantierbarer Stimulator mit Empfangsspule. Die externe Spule wird durch den internen Magneten (rund) im Zentrum der Empfangsspule (orange) gehalten. Das Gerät wird unter die Kopfhaut implantiert und die Elektrode in die Gehörschnecke eingeführt. Der Stromfluss wird über eine großflächige Elektrode auf dem Metallgehäuse geschlossen. 8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Elektrodynamik Grundlegende Entdeckungen zu Elektrizität und Magnetismus wurden ab ca. 1820 gemacht: die Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme, magnetische Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern, das Ohm’sche Gesetz, die Kirchhoff’schen Regeln und schließlich Faradays Feldbegriff. Im folgenden Kapitel kommt noch das Phänomen der elektromagnetischen Induktion hinzu, das die Erzeugung elektrischer Spannungen durch veränderliche Magnetfelder beschreibt. Sie bilden das Fundament der Elektrotechnik. Es dauerte allerdings lange, bis diese Entdeckungen zu praxistauglichen Anwendungen führten. Die elektrische Telekommunikation begann 1838, als Samuel Morse (1791–1872, USA) den Telegrafen erfand. Zeichen wurden als kurze bzw. lange Stromstöße über Drahtleitungen übertragen, beim Empfänger betätigte ein Elektromagnet einen Schreibstift, um die Nachricht auf einem Papierstreifen aufzuzeichnen. Die Technik setzte sich rasch durch. Eisenbahnunternehmen erkannten den Vorteil für den sicheren Betrieb mehrerer Züge auf demselben Gleis. Bereits 1851 verband eine im Meer verlegte Telegrafenleitung England mit Frankreich, ab 1866 verband ein 4 000 km langes Seekabel Europa und die USA. Heute verbinden Glasfaserkabel die Kontinente. Zum Betrieb von Telegrafen reichten Batterien, wie sie 1800 der italienische Physiker Alessandro Volta (1745–1827) erfunden hatte, jedoch wäre ein Batteriebetrieb von elektrischen Maschinen extrem unwirtschaftlich gewesen. Die Entwicklung leistungsfähiger Generatoren (9.1) zur Stromerzeugung führte zur Elektrifizierung von Industrie und Alltag. Gefördert wurde diese Entwicklung durch den Wunsch nach einer besseren Beleuchtung sowohl im öffentlichen Raum als auch in Wohnungen und Werkstätten. Dem US-amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison (1847–1931) gelang es 1879, eine Glühlampe zu entwickeln, die mehrere hundert Stunden leuchtete. Edison war wirtschaftlich erfolgreich, weil er die notwendige Infrastruktur bedachte, in New York ein Kraftwerk errichtete und ein Stromnetz aufbaute. Daneben war PR-Arbeit wichtig. Bereits 1880 wurde ein neuer Ozeandampfer mit Edisons Glühlampen ausgestattet. Edisons System hatte jedoch eine Schwäche: Es war ein 110 V-Gleichstromnetz. Wegen der Widerstandsverluste in den Leitungen konnten nur Kunden nahe am Kraftwerk versorgt werden. Sein Konkurrent George Westinghouse (1846–1914, USA) setzte auf den Energietransport durch Wechselstrom mit Hochspannung und Transformatoren für Niederspannung nahe an Kundinnen und Kunden bei geringen Verlusten. In welchem Ausmaß künstliche Beleuchtung nicht nur unseren Alltag, sondern vor allem auch Industrie und Fremdenverkehr beeinflusst, zeigt der Blick aus dem Weltraum (9.2). 9.1 Herstellung eines Generators (ca. 1930) 9.2 Das nächtliche Europa aus dem Weltraum gesehen 9.3 Photovoltaik – eine sanfte Technologie 9 Elektrodynamik/Energie/Elektromagnetische Wellen y8c73k Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
1.1 Das Induktionsgesetz Christian Oersted entdeckte 1820, dass elektrische Ströme magnetische Felder erzeugen. Der englische Naturforscher Michael Faraday war wie Oersted überzeugt, dass alle Naturkräfte miteinander zusammenhängen. Daher suchte er nach der Umkehrung von Oersteds Entdeckung und setzte sich als Ziel „Convert magnetism into electricity“. Im Jahr 1831 war es erreicht. Mit mehreren verschiedenen Experimenten hatte er sich überzeugt, dass nur veränderliche Magnetfelder Ströme verursachen, konstante Magnetfelder aber nicht. Dieses Phänomen nannte er Induktion. In einem dieser Versuche (10.2) hatte er über einen Weicheisenring zwei Spulen aus isoliertem Kupferdraht gewickelt. Die erste Spule (Primärspule) schloss er an eine Batterie an, um im gesamten Ring ein Magnetfeld zu erzeugen. Die zweite Spule (Sekundärspule) schloss er mit einem Draht kurz, den er zum Stromnachweis über eine Magnetnadel führte. Er beobachtete beim Einschalten des Batteriestroms einen Ausschlag der Magnetnadel, die kurz danach wieder in der Nord-Süd-Richtung zur Ruhe kam. Beim Ausschalten schlug die Nadel in die umgekehrte Richtung aus. Offensichtlich war beim Ein- und Ausschalten des Stroms in der Primärspule kurzzeitig in der Sekundärspule Strom geflossen. Bei konstantem Strom durch die Primärspule zeigte die Magnetnadel keinen Ausschlag, es floss also durch die Sekundärspule kein Strom. Untersuche, überlege, forsche: Faradays Experiment 10.1 E3 Untersuche die Rolle des Magnetfelds. Schließe ein Voltmeter an einer Drahtspule (ohne Eisenkern!) an. Schiebe einen Stabmagneten in die Spule. Untersuche, wie der Zeigerausschlag des Voltmeters durch Bewegen des Magneten beeinflusst wird. Analysiere, wodurch ein großer Ausschlag erreicht wird. Wie kommt der Strom vom Kraftwerk zu unseren Haushalten? Magnetfeld und Magnetfeldlinien Magnetismus zeigt sich als Wechselwirkung von Magneten und stromdurchflossenen Leitern (z. B. in Spulen) mit anderen Objekten. Er wird mittels eines Feldes (Magnetfeld B) beschrieben. Das Feld wird bildlich durch Feldlinien dargestellt. In der Umgebung des felderzeugenden Magneten zeigen sie die Richtung der Kraft, die auf den magnetischen Nordpol kleiner Magnete wirken würde. Je stärker das Feld ist, desto enger nebeneinander werden die Feldlinien gezeichnet. Feldlinien treten am Nordpol eines Magneten aus und treten am Südpol wieder ein, im Magneten verlaufen sie zum Nordpol und bilden dadurch geschlossene Feldlinien. Ein frei drehbarer Stabmagnet richtet sich im Erdmagnetfeld so aus, dass ein Ende des Stabes nach Norden zeigt, dieses wird Nordpol des Magneten genannt. Das andere Ende heißt magnetischer Südpol. 10.1 Hochspannungsleitungen verbinden Kraftwerke mit Städten und Industrieanlagen mit hohem Energiebedarf. 10.2 Skizze aus Faradays Versuchsheft von 1831. Um einen Eisenring wickelte er zwei Drahtspulen A und B. Als er A an eine Batterie anschloss, stellte er einen kurzen Stromfluss in B fest und entdeckte dadurch die elektrische Induktion. 10.3 In der Simulation (wird über das digitale Zusatzmaterial zur Verfügung gestellt) kannst du die Auswirkungen der verschiedenen Einstellungen selbst untersuchen. 10 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik In diesem Kapitel erfährst du, – wie Generatoren und elektrische Motoren funktionieren. – warum die Erde ein Magnetfeld hat. – wodurch sich Wechselstrom von Gleichstrom unterscheidet. – wie elektrische Energie übertragen wird. y2v23m Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das Faraday’sche Induktionsgesetz (qualitativ) In einer Spule wird eine Spannung hervorgerufen (induziert), wenn sich das Magnetfeld im Inneren der Spule ändert (Größe oder Richtung). Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen der Elektrotechnik. Wir formulieren es quantitativ an einem Spezialfall. Experiment: Ruhender Magnet – Bewegter Leiter 11.1 E2 Hänge ein Drahtstück zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten waagrecht auf und verbinde es mit einem Millivoltmeter (Zeigerinstrument) (11.1). Stelle vor der Durchführung des Experiments eine Vermutung auf, was passieren wird. Beschreibe und protokolliere, was du beobachtest, wenn das Drahtstück wie eine Schaukel schwingt. Das Voltmeter zeigt eine Spannung an, die sich im Takt der Schaukelbewegung ändert. Wie lässt sich das erklären? Welche Kräfte wirken auf die Elektronen im Draht? Genaue Experimente haben gezeigt: Wenn sich elektrisch geladene Teilchen (Ladung q), z. B. Elektronen, mit der Geschwindigkeit v normal zu den Feldlinien des Magnetfelds B bewegen, dann wirkt auf sie die Lorentzkraft FL: FL = q·v·B Die Lorentzkraft steht normal zu den Feldlinien und normal zur Bewegungsrichtung. Sie verschiebt die Elektronen im Draht quer zum Magnetfeld und zur Bewegung. Dadurch wird ein Ende des Drahtes negativ geladen (Elektronenüberschuss), das andere Ende wird positiv geladen (Elektronenmangel) (11.2). Diese Ladungsverteilung erzeugt im Draht ein elektrisches Feld E, wodurch zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft Gleichgewicht besteht: q·v·B = q·E. Multiplizieren wir die elektrische Feldstärke E mit der Länge s des Drahtes, so erhalten wir die zwischen den Enden des Drahtes induzierte Spannung Uind(t) = E·s = v·B·s Experiment: Bewegte Leiterschleife im Magnetfeld 11.2 E2 Wir bewegen nun eine rechteckige Leiterschleife normal zum Magnetfeld. Beschreibe, wie sich deine Beobachtungen unterscheiden, wenn die Schleife vollständig im Magnetfeld liegt bzw. aus dem Magnetfeld herausgezogen wird. Liegt die gesamte Schleife im überall gleichstarken homogenen Magnetfeld, so wird in den zur Bewegungsrichtung normalen Leiterstücken dieselbe Spannung induziert. Das Voltmeter zeigt daher keinen Spannungsunterschied an (11.3). Wenn aber nur ein Teil der Schleife im Magnetfeld liegt, wird eine induzierte Spannung Uind(t) angezeigt. Dies führt uns zur quantitativen Formulierung des Induktionsgesetzes. Wenn man die Leiterschleife wie in 11.4 mit der Geschwindigkeit v aus dem Magnetfeld zieht, dann ändert sich während der Zeit dt die im Magnetfeld liegende Fläche A um dA = − s·v·dt. Die zeitliche Änderungsrate der Fläche A beträgt daher dA/dt = − s·v. Die induzierte Spannung beträgt daher: U ind(t) = B·s·v = − B· dA _ dt = − d(B·A) __ dt = − dΦ _ dt Dabei wurden B als konstant und die Fläche A normal zur Feldrichtung angenommen. Das Produkt B·A heißt magnetischer Fluss Φ. Der magnetische Fluss ist eine skalare Größe. Das Induktionsgesetz fasst unsere experimentellen Ergebnisse zusammen und gilt für alle Phänomene, bei denen sich der magnetische Fluss ändert. 11.1 Bewegt sich eine Leiterschaukel im Magnetfeld, dann beobachtet man das Auftreten einer Induktionsspannung. v N S V 1 11.2 Die Lorentzkraft verschiebt Elektronen (blaue Punkte) im Draht. Die Ladungstrennung verursacht ein elektrisches Feld und dadurch eine elektrische Spannung zwischen den Enden des Drahtes, die vom Voltmeter angezeigt wird. s v B S 1 11.3 Liegt die bewegte Schleife vollständig im homogenen Magnetfeld, dann wird zwischen ihren Enden keine Spannung induziert. s v B Uind = 0 V 11.4 Die Leiterschleife ist nur teilweise im Magnetfeld. Verschiebt man die Leiterschleife um dx = v·dt, so ändert sich der magnetische Fluss um d Φ = B·dA = − B·s·dx = − B·s·v·dt. Wie ändert sich der magnetische Fluss, wenn man die Bewegungsrichtung der Leiterschleife umkehrt? Uind v B s = · · B v s V 11 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Das Faraday’sche Induktionsgesetz (quantitativ) Wenn sich der magnetische Fluss Φ durch eine Leiterschleife zeitlich ändert, wird in der Leiterschleife eine Spannung Uind(t) induziert: U ind(t) = − dΦ _ dt Der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife ändert sich, wenn sie im Feld gedreht wird. Bei einer Drehung um den Winkel α wird der magnetische Fluss um den Faktor cos( α) kleiner (12.1). Der Induktionsstrom Die Induktionsspannung verursacht in einem geschlossenen Leiterkreis einen Induktionsstrom, für seine Richtung gilt folgende Regel: Die Lenz’sche Regel Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er seiner Ursache entgegenwirkt. Experiment: Die Leiterschaukel als Stromkreis 12.1 E1 Lass eine Leiterschaukel im Magnetfeld schwingen! Dabei wird Spannung induziert, im geschlossenen Stromkreis fließt Strom. Überlege, in welche Richtung zum Draht die auftretende Lorentzkraft wirkt! Stelle eine Hypothese auf und erkläre, wie die Lorentzkraft die Bewegung der Leiterschaukel beeinflusst (12.2). Der induzierte Strom wirkt seiner Ursache entgegen. Die Lorentzkraft bremst wegen dem Energieerhaltungssatz die Leiterschaukel, ihre kinetische Energie wird in elektrische umgewandelt. Was wäre die Folge, wenn der Induktionsstrom seine Ursache verstärken würde? Demoexperiment: Wirbelströme 12.2 E1 Eine Platte aus Aluminium schwingt als Pendel zwischen den Polen eines Elektromagneten. Beschreibe das Verhalten des Pendels nach dem Einschalten des Magneten. Was ist vermutlich die grundlegende Ursache des Effekts? (12.3) Das Pendel wird abgebremst. Die Ursache ist das Auftreten von Wirbelströmen, das sind in sich geschlossene elektrische Ströme im metallischen Pendelkörper. Man kann den Pendelkörper als eine Vielzahl geschlossener Leiterkreise auffassen, die sich im inhomogenen Magnetfeld bewegen. In jedem dieser Leiterkreise induziert die Flussänderung einen Strom – die auf ihn wirkende Lorentzkraft hemmt die Bewegung. Verwendet man einen vielfach geschlitzten Pendelkörper, dann sind die Wirbelströme auf kleine Bereiche beschränkt und die Bremswirkung verringert sich dadurch deutlich (12.3 rechts). Experiment: Fallen alle Körper gleich schnell? 12.3 E4 Du brauchst: zwei etwa 1,5m lange, gerade Rohre mit 10 bis 15mm Durchmesser, je eines aus Kunststoff bzw. Kupfer, einen kleinen Stabmagneten und ein etwa gleich großes Holzstäbchen Lass den Magneten bzw. das Holzstäbchen durch die verschiedenen Rohre fallen und vergleiche die Falldauern. Erkläre deine Beobachtung und nimm dabei Bezug auf die physikalische Modellierung von Fallbewegungen. 12.1 Der magnetische Fluss durch die zu den Feldlinien geneigte Fläche (A) ist ebenso groß wie der magnetische Fluss durch die zu den Feldlinien senkrechte Fläche A·cos( α). A B A · cos (α) α 12.2 Bewegt sich die Leiterschaukel im Magnetfeld, wird Strom induziert. Die Lorentzkraft FL wirkt der Bewegung entgegen. v N S A F 1 1 12.3 Die Bewegung des Metallpendels wird im Feld eines Dauer- oder Elektromagneten durch induzierte „Wirbelströme“ gebremst. Dieser Effekt wird z. B. als „Wirbelstrombremse“ bei Bussen, LKWs und bei Achterbahnen genutzt. 12 Elektrodynamik 1 Grundlagen der Elektrotechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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