Physik für BiologInnen - Biologie learn online

Biologie (Subject) / Physik für BiologInnen (Lesson)

Grundlagen der Physik für BiologInnen

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Konvektion = Wärmeleitung -hervorgerufen durch Dichte-, Temperatur-und Konzentrationsunterschiede innerhalb des Fluids (Gas, Flüssigkeit) - Es kann auch eine von außen wirkende Kraft, die das Fluid in Bewegung setzt, zu einer Konvektion führen.
freie(natürliche) Konvektion -der Teilchentransport wird ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten, etwa durch Auf-bzw. Abtrieb des Fluids infolge der durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt
erzwungene Konvektion bei der der Teilchentransport durch äußere Einwirkung, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe, hervorgerufen wird.
Freie Konvektion Bei Erwärmung dehnen sich Stoffe aus, daher wird ihre Dichte geringer. Innerhalb einer Flüssigkeit oder eines Gases steigen Bereiche mit geringer Dichte nach oben, während Bereiche mit höherer Dichte nach unten sinken.
Wärmeenergie Es ist ein umgangssprachlicher Ausdruck, der in aller Regel als Synonym für thermische Energie verwendet wird. - Ein System enthält nie „Wärme“, sondern nur thermische bzw. innere Energie. -Temperaturveränderung eines Stoffes ist mit Energieaustausch verbunden - Wärmemenge geht immer von Körper mit höherer Temperatur zu Körper mit geringerer Temperatur - Wärmetransport ist erst beendet, wenn beide Körper dieselbe Temperatur angenommen haben
Die Elektrostatik Gesamtheit der Erscheinungen die von ruhenden Ladungen stammen = Wechselwirkung elektrisch geladener Körper Ladungen entstehen zB durch Reibung
elektrisches Feld In einem Raum wird durch eine elektrische Ladung auf eine andere Ladung eine Kraft ausgeübt --> dieser Raum wird elektrisches Feld bezeichnet - Die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes wird durch die Feldlinien dargestellt. Die Ursache des elektrischen Feldes ist die Ladung Q. die elektrische Feldstärke E: →Damit kann in jedem Punkt des Raumes das E-Feld bestimmt werden
Gleichstrom ein elektrischer Strom bezeichnet, dessen Stärke und Richtung sich nicht ändert die gleichmäßige, zeitlich konstante Bewegung von elektrischen Ladungen (Ladungsträger: Elektronen, positive und negative Ionen) Die Ströme können nur auf Kosten äußerer Energiequellen aufrechterhalten werden, sonst würde sehr schnell der von der Elektrostatik geforderte Zustand eintreten Stromrichtung aus historischen Gründen von + --> - ; eigentlich Elektronen von - nach +
Arbeit des elektrischen Stroms Werden unter dem Einfluss der elektrischen Spannung U Ladungsträger mit der Elektrizitätsmenge Q bewegt, so wird dabei eine Arbeit W (Watt) verrichtet. die elektrische Arbeit, gegeben durch: W = Q U Bewegte Elektrizitätsmenge: Q = I •t I = Stromstärke Ampere t = Zeit (Sekunden) --> Elektrische Arbeit= Spannung * Strom * Zeit (W = U • I • t)
Leistung des elektrischen Stroms die Leistung des elektrischen Stroms berechnet sich aus der Spannung U und der Stromstärke I Verhält sich der Verbraucher als ohmscher Widerstand R, kann man die Leistung auch ausdrücken durch
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Elektrolyte = leitende Flüssigkeiten - Elektrolyte werden beim Auflösen in Wasser durch Dissoziation in Ionen aufgespaltet. - Die Stromleitung in Elektrolyten erfolgt somit durch frei bewegliche Ionen. - Beim Anlegen einer Spannung wandern die positiven Ionen zum negativen Pol (Kathode), die negativen Ionen zum positiven Pol (Anode). - Weil die Ionen größer als Elektronen sind ist der spezifische Widerstand von Elektrolyten wesentlich größer(typ. Faktor 100) als der von Metallen - Gleichzeitig mit der Ladung transportieren die Ionen auch eine Masse. Es kommt daher auch zu einem Massentransport, ein wesentliches Kennzeichen der elektrolytischen Stromleitung.
1. Faradaysche Gesetze 1. Faradaysches GesetzDie Stoffmenge, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur elektrischen Ladung, die durch den Elektrolyten geschickt wird.
Stromleitung in Gasen die Ladungsträger können sowohl Elektronen (q = -e) wie auch positiv oder negativ geladene Ionen sein. - Man bezeichnet das Auftreten eines elektrischen Stroms in einem Gas als Entladung. Man unterscheidet : - Unselbständige Entladung: Es werden die freien Ladungsträger durch äußere Einflüsse erzeugt. - Selbständige Entladung: Es werden die freien Ladungsträger durch das elektrische Feld selbst erzeugt.
Elektromagnetismus / Magnetismus Elektromagnetismus: - Magnetische Felder von Stromdurchflossenen Leitern - Kraft auf Leiter (in denen Strom fließt) im Magnetfeld Magnetismus: - Magnete sind stets Dipole (+/-). Das Feld des Magneten wird durch die magnetische Feldstärke (H), bzw. durch die magnetische Kraftflußdichte (B)beschrieben. μ0 = 4π*107 N/A2……. magnetische Feldkonstante (μr (Luft) = 1, μr (Eisen) ∼1000) - Beide Größen sind zueinender proportional: B = μ0 * H
magnetische Feldlinien - Die magnetischen Feldlinien laufen vom Nord-zum Südpol - Magnetische Feldlinien schneiden sich nicht - Um anzudeuten, dass in einer Zone das Magnetfeld stärker ist als in einer anderen Zone, so deutet man dies durch die Dichte der Magnetfeldlinien an. Höhere Feldliniendichte bedeutet stärkeres Magnetfeld.
Lorentzkraft Die Lorentzkraft ist die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen oder elektrischen Feld erfährt. In Magnetfeldern ist sie am größten, wenn die Bewegungsrichtung der Ladungen senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds verläuft. Ist die Bewegungsrichtung der Ladungen parallel zu den Feldlinien, tritt keine Lorentzkraft auf.
Entstehung von Röntgenstrahlung (2. Möglichkeiten) durch starke Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Elektronen) = Bremsstrahlung (Spektrum ist kontinuierlich) durch hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen = charakteristische Röntgenstrahlung (Linienspektrum)
Bremsstrahlung = polychromatisch (mehrfärbig) --> enthält verschiedene Wellenlängen, die kürzeste ist die Grenzwellenlänge - entsteht wenn ein geladenes Teilchen gebremst, beschleunigt oder abgelenkt wird. Meistens wird ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit von einem Atomkern abgelenkt. - Bremsstrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum.
charakteristische Röntgenstrahlun - Wird ein Elektron aus seiner Bahn „herausrausgeschossen“, hinterlässt es dort ein "Loch". Dieses wird dadurch gefüllt, dass ein Elektron aus einer äußeren Schale in das Loch „hineinspringt“. Dabei wird Energie frei –Röntgenstrahlung. - Diese Strahlung tritt dann auf, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere Bahn springt – es ist die charakteristische Röntgenstrahlung.
Das Auflösungsvermögen ist gegeben durch : NA –numerische Apertur eines Objektives Auflösungsvermögen für ein Mikroskop mit 2α=100°, bei λ=550nm in der Luft (n=1):
Kernphysik - ein Teilbereich der Physik der sich mit dem Aufbau der Atomkerne, Kräften, Energiezuständen und radioaktiven (ra) Strahlung befasst.
Natürliche Radioaktivität 1. Nuklide, die durch Kernreaktionen der kosmischen Strahlung ständig neu gebildet werden, 2. Kosmogene Nuklide (durch WW der kosmischen Strahlung mit den Atomkernen der Atmosphäre entstehende Nuklide). Das radioaktive Kohlenstoffisotop14-C (T1/2 ca. 5730 Jahre) ist der bekannteste. 3. Primordiale Nuklide, die seit Entstehen der Erde vorhanden sind und aufgrund ihrer langen Halbwertszeit noch nicht zerfallen sind, sowie die aus diesen Radionukliden (U-238, U-235 und Th- 232) entstehendenNuklide.