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| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Physik 2. Elektrizität / Magnetismus.
SS 16 | 2. Sem. | B.Sc. Oec. und B.Sc. CH
3Physik Elektrizität
Quelle: Wikipedia, Theo Schacht
Themen
• Elektrostatik• Elektrodynamik• Magnetismus• Elektromagnetismus
Physik Elektrizität/Magnetismus
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
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ELEKTROSTATIK
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
6Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Phänomen statische Aufladung(SP)• Reibung bestimmter (Kunst-)
Stoffe erzeugt statische Aufladung• Haare, Staub, kleine
Papierschnitzel (…) werden angezogen
• Pullis (und andere Kleidungsstücke) knistern beim Ausziehen
• man erhält einen Schlag• Eigenschaft „antistatisch“ ist
ein Verkaufsargument
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
8Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Anwendung Elektrostatik (1/2)
• Statische Aufladung in Technik wichtig• Elektrophoresekammer• Reinigungstechnik• Drucker, Kopierer• Lackierstraßen
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9Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Anwendung Elektrostatik (2/2)
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10Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Elektro-Staubabscheider
Quelle: Energiewelten/
Ursache statischer Aufladung (1/2)• Erforderliche Modellvorstellung für
Atome: Schalenmodell• punktförmige negative geladene
Elektronen umkreisen• positiv geladene Atomkerne• auf Kugelschalen
(mit unterschiedlichem Abstand zum Kern)• Alle Stoffe haben eine riesige Anzahl
von Ladungsträgern (s. Avogadrozahl)• negative Ladung: Elektronen• positive Ladung: Atomkerne
• Ladung wird in Coulomb [C] gemessen• Coulomb, Charles de, 1736 - 1806• Ladung eines Elektrons: q = 1,602·10-19C
• Unter Normalbedingungen neutralisieren sie sich • Gesamtladung Q = 0 C
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11
+
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Ursache statischer Aufladung (2/2)• Bei Nichtleitern entsteht durch Reibung zu geringem Teil
Ladungstrennung• Elektronen werden von den Atomkernen getrennt• auf den reibenden Gegenstand übertragen und entfernt
• Körper ist entweder • positiv geladen (Elektronen“mangel“)• negativ geladen (Elektronenüberschuss)
• Zwei geladene Körper • stoßen sich bei gleicher Ladung ab (+/+; -/-)• ziehen sich bei ungleicher Ladung an (+/-)
• Coulomb-Kraft wirkt| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
12Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Coulomb-Kraft (SP)
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
14Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
1 22
0
1
2
Coulomb-Kraft
14
mitBetrag der Ladung des Körpers 1 in C
Betrag der Ladung des Körpers 2 in C Abstand der Körper in m
q qF
r
q
qr
Beispiel Coulomb-Kraft (1/2) (SP)
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16Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
• Warum ist Wasser ein polares Lösungsmittel? • Sauerstoffatom bindet Elektronen
der Wasserstoffatome stärker an sich
• Wasserstoffatome leicht (!) positiv geladen
• Sauerstoffatom leicht (!) negativ geladen
Wasserstoffbrückenbildung (Chemie, Biochemie!)
• Coulomb-Kraft verstärkt Oberflächenspannung bei Wasser
• Aber: Keine Ladungstrennung, sondern Ladungsverschiebung!
Beispiel Coulomb-Kraft (2/2)
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17Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Aufgabe Coulomb-Kraft
• Wie groß ist die Coulomb-Kraft zwischen einem Wasserstoff-Atomkern (q = 1,602·10-19 C) und einem Elektron (q=–1,602·10-19 C) bei einer Entfernung von• 0,529 m?• 52,9 pm (Elektron umkreist Atomkern)
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18Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Blitz & Donner (SP)
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20Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Quelle (2): HALLIDAY
• Durch die Ladungstrennung entsteht eine elektrische Potenzialdifferenz oder Spannung(-sdifferenz), gemessen in Volt (Volta, Alessandro, 1745 – 1827)
• Die Spannung wird größer, je mehr Ladungen getrennt werden
• Bei genügend großer Spannung kommt es zur Entladung
• Je kleiner der Abstand desto geringer die erforderliche Überschlagsspannung
Vulkanausbruch(SP)
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22Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Was passiert bei einem Überschlag?• Isolation ist für die Spannung nicht mehr
ausreichend • Ladungstrennung wird (teilweise) aufgehoben• Ladungsträger strömen von einem Körper zum
anderen• Ladungsträgerstrom → Elektrodynamik
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23Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Überschlag
• Überschläge können auch sinnvoll sein• Zündkerze• Elektroschweißgerät• Piezo-Zündung
(Gasherd)• … oder auch nicht
• Kurzschlüsse• Spannungsüberschläge
• Zündanlagen• Hochspannungsleitungen
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24Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Schutz vor Überschlägen (SP)
• gute Isolation• Faraday‘scher Käfig
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26Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrostatik
Quelle: HALLIDAY
ELEKTRODYNAMIK
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27Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik
Elektrodynamik
• Unterschied zur Elektrostatik• Ladungsträger müssen sich bewegen können
• Leiter bzw. Halbleiter (in elektronischen Bauelementen) erforderlich
• es kann ein (Ladungsträger-)Strom fließen (Ionen, Elektronen, „Löcher“)
• Spannungsquelle erzeugt• elektrische Spannung(-sdifferenz)• Stromfluss im Leiter
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28Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik
Stromfluss
• Wie viele Ladungsträger passieren pro Sekunde den Leiter?
• 6,24·1018 Ladungen/s = 1 C/s = 1 A (Ampère, André 1775 – 1836)
• Fast immer sind Elektronen die Ladungsträger• physikalischer Stromfluss von
„-“ nach „+“• technischer Stromfluss von
„+“ nach „-“
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29Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik
Hier zählen!
elektrische Spannungen
• unterscheiden, wie sich die elektrische Spannung zeitlich verändert• Gleichspannung• Wechselspannung
• einphasig• dreiphasig
• (Rechteck-, Dreieckspannung)
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30Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
Gleichspannung
0
2
4
6
8
10
12
0 0,5 1 1,5Zeit in s
Span
nung
in V
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31Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
Wechselspannung, einphasig
Netzspannung: U0 = 325V; f = 50Hz; U(t) = 325V sin(2·50Hz·t)Effektivspannung (= gemessene Spannung): 230V~
-400
-200
0
200
400
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
Zeit in s
Span
nung
U(t)
in V
1/50 s
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32Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
Wechselspannung, dreiphasig
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33Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
-400-300-200-100
0100200300400
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Zeit in s
Aus
lenk
ung
in c
m
P hase 1 P hase 2 P hase 3
120° 120°
Steckdosen, ein- und dreiphasig
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34Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Spannung
400 V Steckdose230 V Steckdose
Ohm‘scher Widerstand
Integriertes Praktikum, Versuch „WID“• Idealfall: Nur Widerstände haben einen
(definierten) Widerstand• Realität: Fast alle Bauteile (auch Kabel!) haben
einen Widerstand• Ausnahme: Supraleiter • Formelzeichen: R• Maßeinheit: Ohm
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
35Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis
Ohm‘sches Gesetz (SP)
• Georg Simon OHM (1787 - 1854)• Widerstandsberechnung
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37Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis
Allgemein: in Eselsbrücke:
1parallele Widerstände:
...
serielle Widerstände:
ges
ges
ges
URI
R
R
R
Elektrische Leistung und Arbeit (SP)• Aus der Mechanik-Vorlesung bekannt
• Definition der elektrischen Arbeit
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39Physik Elektrizität/Magnetismus Elektrodynamik Stromkreis
KAPAZITÄT (KONDENSATOR)
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40Physik Elektrizität/Magnetismus
Kapazität• Kapazität besteht aus
• zwei „Platten“• Isolation zwischen ihnen
• Spannungsquelle „lädt“ Kapazität auf• Elektronenüberschuss auf
der negativen Platte• Elektronenmangel auf der
positiven Platte• Entladung über
Widerstand• IP2, Versuch RCL| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
41Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
+ _
+ _
+ _
U
U
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Anwendung Elektrodynamik (2/2)(SP)
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität 43
Quelle: Data Input GmbH
Elektrotechnische Wirkung einer ZelleKörperfettmessung (BIA-Methode)
• Zellwände = Kapazität• Zellflüssigkeit und intracelluläre Flüssigkeit =
Ohmscher Widerstand• Verwendung einer Wechselspannung mit
verschiedenen Frequenzen → IP2, Versuch RCL
Kapazität eines Kondensators(SP)• Betrachte Plattenkondensator• Kapazität C im Wesentlichen abhängig von den
geometrischen Größen• Plattenabstand d• Fläche der Platten A
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45Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
Wie viel Ladung ist auf einem Kondensator? (SP)• Coulombkraft: Elektronen stoßen sich ab, halten
möglichst großen Abstand• Wie bekommt man viele Ladungen auf die
Platte?• Große Kapazität C, die möglichst vielen Ladungen
Platz bietet• Hohe Spannung U, die mehr Elektronen auf die
negative Platte „drückt“ und von der positiven Platte „saugt“
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47Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Laden eines Kondensators (SP)Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
212aufgenommene elektrische Energie: KapE C U
49
02468
10
0 2 4 6 8 10Span
nung
U(t)
[V]
Zeit t [s]
Laden
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Wichtige Zeitpunkte in der Ladekurve
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
1 12 2
12
0 0
1 1 0 0
ln(2)1
2 0 02
53 3 0 0
4 4 0
Technisch:
0 ( ) 0
( ) 1 0,63
(ln(2) ) ( ) 1
: Halbwertszeit
5 ( ) 1
( ) lim 1t
t
t s U t V
t U t U e U
t t U t U e U
t
t U t U e U
t U t U e
0U
50
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Zeichnen Sie und t½ einPhysik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
02468
10
0 2 4 6 8 10
Span
nung
U(t)
[V]
Zeit t [s]
Laden
51
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Entladen eines Kondensators (SP)
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
212abgegebene elektrische Energie: KapE C U
53
02468
10
0 2 4 6 8 10Span
nung
U(t)
[V]
Zeit t [s]
Entladen
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Wichtige Zeitpunkte in der Entladekurve
Physik Elektrizität/Magnetismus Kapazität
0 0 00 ( )t s U t U
1 1 0 0( ) 0,37t U t U e U
1 12 2
ln(2)1
2 0 02(ln(2) ) ( )t t U t U e U
53 3 0Technisch: 5 ( ) 0Vt U t U e
4 4 0( ) lim 0Vt
tt U t U e
54
MAGNETISMUS
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55Physik Elektrizität/Magnetismus
Anwendungen (SP)
• Induktionskochfelder• Transformatoren• Elektromechanik• Elektronik
(z.B. Metalldetektoren)
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57Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Quelle: http://www.tagderkueche.de/images/2005/presse/7.jpg
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Besteckseparation in der MensaPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 58
Magnetismus
• verschiedene Arten von Magneten • dauerhaft magnetische Stoffe (Permanentmagnete)• stromdurchflossene Leiter → Elektromagnetismus
• Ein Magnet übt durch das ihn umgebene Magnetfeld eine Kraft aus auf • magnetisierbare Stoffe• elektrisch geladene Teilchen
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59Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Modellvorstellung Magnetismus
• Magnete bestehen aus vielen Elementarmagneten• Elementarmagnete besitzen immer
• Nordpol• Südpol• es gibt keine einzelnen Nord- oder Südpole
• je besser die Elementarmagnete ausgerichtet sind, desto stärker ist das Magnetfeld → Kraft des magnetischen Feldes (magnetische Kraft)
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
60Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
S NS N
S N
S N
S N
S N
S N
S N
S N
S N
S N
S NS N
Magnetfeldlinien
• Magnetisierbare Körper (Eisenfeilspäne) und andere Magnete richten sich anhand der Magnetfeldlinien aus
• Je größer die Kraft des Magneten, desto dichter sind seine Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld B
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61Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Quelle: Wikipedia, Geek3 Quelle: Großmann nach Wikipedia, Meyer
S N
Erdmagnetfeld
• Erdmagnetfeld lenkt geladene Partikel, die von der Sonne kommen, zu den Polen ab (Polarlichter) → magnetische Kraft
• Ohne Erdmagnetfeld kein Leben möglich, Verhältnisse wie auf dem Mars
• Kraft des magnetischen Feldes richtet Kompassnadel parallel zu den magnetischen Feldlinien aus
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62Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Quelle: Wikipedia, NASA
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Schweben von Lasten Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 63
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Reibungsfreie Lagerung von Achsen
Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 64
ELEKTROMAGNETISMUS
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65Physik Elektrizität/Magnetismus
Stromdurchflossener Leiter
• Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld
• Die Feldlinien verlaufen zylindrisch um den Leiter
• Die Richtung des Magnetfelds hängt ab von• der Stromflussrichtung• der Polarität der
Ladungsträger• „Rechte-Faust-Regel“• Zu Spulen aufgewickelter
Draht vervielfacht das Magnetfeld
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66Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
I
Elektromagnetismus (SP)
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
68Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Quelle: HALLIDAY
• Angewendet zur Herstellung von• Elektromagneten• Spulen
• Beide bestehen im Wesentlichen aus• aufgewickeltem Draht
(Spule)• Eisenkern (optional)
• Nutzt den Zusammenhang zwischen• Elektrizität• Magnetismus Elektromagnetismus
Elektromagnetismus, qualitativ• Leiter: Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld z.B. Elektromotor• Induktivität: Änderungen des Stromflusses in einer Spule
verändert die Stärke des Magnetfelds• Änderungen der Stärke des Magnetfelds induzieren in einem
vom Magnetfeld eingeschlossenen Leiter (also auch in der Spule selbst!) eine Spannung (Spannung der Selbstinduktion, Induktionsspannung)
• Je stärker die Änderung, desto größer ist die Induktionsspannung (→ Versuch Leuchtstofflampe, HT-Praktikum)
• Induktionsspannungen• Arbeitsprinzip von Transformatoren zum
verlustarmen Umwandeln von Spannungen
• können elektronische Bauteile gefährden
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69Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Gleichstrommotor, FunktionsprinzipPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 70
Stator
Spannung– +
KommutatorRotor mit Wicklung
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
Gleichstrommotor, VideoPhysik Elektrizität/Magnetismus Induktivität 71
Quelle: Energiewelten/
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Bewegte elektrisch geladene Teilchen im Magnetfeld• Die magnetische Kraft wirkt und verändert die
Flugbahn der Teilchen• Mathematisch:
Magnetische Kraft ist das Vektorprodukt aus Geschwindigkeit und Magnetfeld
• Anschaulich: • Die magnetische Kraft entsteht, wenn die Richtungen von
Magnetfeldlinien und Geschwindigkeit der Teilchen nichtparallel sind (optimal senkrecht zueinander stehen)
• Die Kraftrichtung steht senkrecht auf Magnetfeldlinien undGeschwindigkeit(-srichtung) der Teilchen
• Ermittlung der Kraftrichtung über die Rechte-Hand-Regel
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus 72
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Magnetische Kraft, Rechte-Hand-Regel
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus 73
2
( )
mit Magnetische Kraft in NLadung des Teilchens in C Geschwindigkeit des Teilchens in m/s
V sMagnetfeld in = Tm
F q v B
Fqv
B
Quelle: Großmann nach Wikipedia/Canarris
Polarlicht
• Magnetische Kraft lenkt Partikel, die von der Sonne kommen, auf Spiralbahnen zu den Polen ab
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
74Physik Elektrizität/Magnetismus Induktivität
Quelle: Wikipedia, Theo Schacht Quelle: Wiebke Salzmann
Massenspektrometer
Kombination aus• Ionenquelle
• Magnetfeld • Detektor
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
75Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Massenspektrometer – Ionenquelle
• Probe einbringen• Bestandteile werden ionisiert• Ionen werden durch ein
elektrisches Feld (Coulombkraft) beschleunigt
• Geschwindigkeit der Ionen ist von ihrer Masse abhängig: v(m)• Große Masse: Langsam• Kleine Masse: Schnell
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
76Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Massenspektrometer – Magnetfeld
• Steht senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit
• Ist überall gleichstark (homogenes Magnetfeld)
• Anwendung der Formel für die Magnetische Kraft ergibt:Die Ablenkung der Ionen variiert mit ihrer Geschwindigkeit
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
77Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Ionen mit großer Masse
Ionen mit kleiner Masse
Massenspektrometer – Detektor
• misst Anzahl der auftreffenden Ionen• Ionen Ladungsträger• Ladungsträger elektrischer Strom• Großer Strom viele Ionen
hoher Peak
• Rückschlüsse auf Zusammensetzung der Probe durch• Höhe der Peaks• Anordnung der Peaks
• „Fingerprint“ der Substanzen
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78Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Ionen mit großer Masse
Ionen mit kleiner Masse
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Anwendung Massenspektrometer(SP)
Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus 80
• Qualitätssicherung• Prüfung von Rohwaren• Analyse von Aromen• Untersuchung von
Pfandflaschen auf problematische Rückstände (Sniffer)
Quelle: www.unisensor.de
Elektromagnetische Strahlung
• Durch Kombination aus • Spule• Kapazität • (Widerstand)kann elektrische Schwingungen erzeugen• Keyboard• Synthesizer
• Aus elektrischen Schwingungen lässt sich mit Antennen elektromagnetische Strahlung erzeugen und empfangen
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
81Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Elektromagnetische Frequenzspektrum
| 03.2016 | Physik 2 | Elektrizität | Großmann |
82Physik Elektrizität/Magnetismus Elektromagnetismus
Quelle: Wikipedia
sichtbarer elektromagnetischer Wellenbereich Optik
Handy, Radio, TV, RFID → IP2, Versuch RCL