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Physik - UBRM (Subject) / Elektrizität und Magnetismus (Lesson)

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• Elektrizität die mit elektrischen Ladungen und Strömen verknüpften Effekte und Phänomene. 
• Elektrostatik befasst sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und statischen elektrischen Feldern
• Elektrische Ladungen q oder Q Die elektische Ladung ist wie die Masse eine fundamentale Eigenschaft der Materie. Es gibt zwei Arten von Ladungen - positive und negative Träger der elektrischen Ladung sind negativ geladene Elektronen und Anionen und positiv geladene Protonen und Kationen.  Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße und akann als solche, in einem abgeschlossenen System, weder erzeugt noch vernichtet werden. Einheit: Coulomb (C)
• Coulomb C die elektrische Ladung, die innerhalb einer Sekunde durch den Querschnitt eines Drahts transportiert wird, in dem ein elektrischer Strom der Stärke von einem Ampere fließt.  1 C = 1 As
• Coulomb'sches Gesetz beschreibt die Wirkung von elektrischen Ladungen aufeinander und hat mathematisch dieselbe Form wie das Gravitationsgesetz.  Abstoßende elektrostatische Kraft: Fe = (1 / 4πε0) * (e2 / r2 ) Anziehende Gravitationskraft: FG = γ * mp2 / r2 Verhältnis: Fe / FG  
• Elektrisches Feld E Der elektrische Feldstärkevektor E ist definiert als die auf eine positive Probeladung q0 wirkende Gesamtkraft dividiert duch die Größe dieser Probeladung. Die Probeladung ist eine gedachte kleine Ladung, die das elektrische Feld, verursacht duch die anderen Ladungen, nicht beeinflusst. E = ∑Ei Einheit: Vm-1 Das elektrische Feld ist eine Eigenschaft des Raums. Feldlinien liefern ein anschauchliches Bild von einem elektrischen Feld. Jedem Punkt des raumens kann ein eletrischer Feldstärkevektor zugeordnet werden. 
• Konservative Kraft F Eine Kraft heißt konservative Kraft, wenn die gesamte Arbeit, die notwendig ist, um ein Teilchen oder eine Ladung entlang eines beliebeigen geschlossenen Weges zu verschieben, gleich 0 ist. 
• Potentialdifferenz Δφ Bewegt man eine Ladung vom Anfangspunkt a zum Endpunkt b, so ändert sich ihre elektrostatische potentielle Energie.  Diese Änderung der Potentiellen Energie pro Ladungseinheit heißt Potentialdifferenz Δφ. Für die Potentialdifferent ist es in der Technik üblich den Begriff Spannung U zu verwenden! Einehit: Volt (V)
• Elektrischer Strom Bewegt sich eine bestimmte Menge elektrischer Ladungsträger in einem gegebenen Zeitintervall durch eine Querschnittsfläche A, so sagt man es fließt elektrischer Strom. Die Stromstärke I ist definiert als die gesamte Ladungsmenge ΔQ, die in der Zeit Δt durch die Fläche A tritt: I = ΔQ / Δt Einheit: Ampere (A)
• elektrische Leistung P P = ΔW / Δt = U * Δq / Δt = U * I Einheit: Watt (W)
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• Wattstunde 1 Wh = 1 W * 3600s = 3600 J
• Ohm'sche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der Stromstärke I in einem Leiter und der Potentialdifferenz U an seinen Enden her. U = R * I R - Widerstand (Einheit: Ω)
• Ohmscher Widerstand R Der Widerstand eines Drahtes hängt von der Länge, dem Querschnitt, dem Material und seiner Temperatur ab. Ist der Widerstand eines Materials auch von der Stromstärke abhängig liegt nicht-ohmsches Verhalten vor, ansonsten spricht man von einem ohmeschen Widerstand. R = ρ * 1 / A ρ = spezifischer Widerstand
• spezifischer Widerstand ρ Der spezifische Widerstand ist temperaturabhängig. Mit dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes α kann der spezifische Widerstand bei der Temperatur T aus dem Widerstand bei der Temperatur T0 berechnet werden: ρ(T) = ρ (T0) * (1 + α * (T - T0))
• 1. Kirchhoffsche Regel: Knotenregel Die Summe aller Ströme, die zu einem bestimmten Knoten hin fließt, ist gleich der Summe der Ströme, die von diesem Knoten wegfließen. (Ladungserhaltung)
• 2. Kirchhoffsche Regel: Maschenregel Beim Durchlaufen einer Masche in einem willkürlich festgelegten Umlaufsinn ist die Summe aller Spannungen gleich null. Konservatives Kraftfeld.
• Netzwerk In der Elektrotechnik versteht man unter einem Netzwerk eine Zusammenschaltung von elektrischen Bauelementen mit Hilfe ovn idealen Verbindungleitungen. Die Verbindungen von Leiteungen heißen Knoten. Die Kirchhoff'sche Regeln erlauben die Analyse dieser Netzwerke und de Berechnung von Strömen und Spannungen. 
• Serienschaltung von Widerständen RGes = R1 + R2
• Parallelschaltung von Widerständen GGes = G1 + G2 1 / RGes = 1 / R1 + 1 / R2
• Kapazität C Die Fähigkeit des Kondensators Ladung zu speichern. C = Q / U Einheit: Farad (F)
• Kapazität C eines Plattenkondensators C = ε0 *  εr * A / d  εr - relative Permittivität
• Kapazität C bei Serienschaltung 1 / Cges = 1 / C1 + 1 / C2
• Kapazität C bei Parallelschaltung Cges = C1 + C2
• Magnetostatik In der Magnetostatik wird der räumliche Verlauf von Magnetfeldern in der Umgebung von Dauermagneten und von stationären Strömen untersucht. 
• Unterschiede der Magnetostatik zur Elektrostatik Es gibt keine magnetischen Monopole, d.h. magnetische Ladungen kommen immer nur in engster Kombination mit der magnetischen Gegenladung als magnetische Dipole vor. Während elektrische Feldlinien Verbindungslinien zwischen getrennten eletrkischen Ladungen darstellen, also auf diesen enden, sind die Feldlinien des magnetischen Feldes stets in sich geschlossene Schleifen. 
• Analogiender Magnetostatik zur Elektrostatik Es gibt zwei Arten von Polen, den Nordpol (positiv) und den Südpol (negativ). Zwischen den Magnetpolen wirken Kräfte, die sich ähnlich wie elektrische Ladungen verhalten. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, während sich ungleichnamige Pole anziehen. Gleich wie beim elektrischen Feld,das von positiven Ladungen ausgeht, sind die Kräfte der Pole auch über Entfernungen wirksam, d.h. es besteht im Raum ein magnetisches Feld. Das Auftreten von statischen magnetischen Feldern ist, ähnlich wie in der Elektrostatik, Materialflüssen unterworfen.  Unmagnetische Körper können durch Polarisation zum Magneten gemacht werden. 
• Magnetische Feldgröße H ordnet jedem Raumpunk die Stärke und Richtung des durch einen Strom erzeugten Magnetfeldes zu. Zwischen der magnetischen Flussdichte B und der magnetischen Feldstärke H gilt der Zusammenhang: B = μ0 *  μr * H μ - magnetische Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit)
• magnetische Feldkonstante μ0 μ0 = 4π * 10-7 * Vs / Am
• Magnetische Flussdichte B Vektor, der Richtung und Dichte des magnetischen Flusses Φ angibt.  Einheit: Tesla (T) Die magnetische Wirkung eines Magneten ist umso größer, je dichter der magnetische Fluss ist.
• Magnetischer Fluss Φ Für den magnetischen Fluss durch eine Fläche A definiert man: Φ = B * A Einheit: Weber (Wb)
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• Lorentzkraft FL Jede bewegte Kraft mit dem Geschwindigkeitsvektor v erfährt in einem Magnetfeld eine Richtungsänderung. Auf die bewegte Ladung wirkt die sogn. Lorentzkraft.  Die Kraftwirkung ist senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Richtung der magnetischen Induktion B. Damit wirkt die Lorentzkraft als Zentripetalkraft auf das bewegte Teilchen ein. 
• Wechselstrom Beim Wechselstrom ändert sich die Richtung des Stromes sowie die Größe der Spannung und der Stromstärke periodisch mit der Zeit. 
• Induktionsgesetz Eine Möglichkeit Wechselstrom zu erzeugen besteht darin, eine Leiterschleife in einem Magnetfeld rotieren zu lassen. Während der Rotation im Fled muss sich die Zahl der Feldlinien, welche die Leiterschleife druchsetzten, d.h. der magnetische Fluss ändern. Je schneller und je drastischer diese Änderung erfolgt, desto größer ist die induzierte Spannung. Uind = - N * ΔΦ / Δt = - N * Δ(B*A) / Δt
• Lenzsche Regel Die induzierte Spannung ist immer so gerichtet, dass eine von ihr bewirkte Stromänderung bzw. zugehörige Magnetfeldänderung der verursachenden Strom- bzw. Magnetfeldänderung entgegen wirkt. 

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