Gedämpfte Schwingungen

Ihr habt 3 Federschwinger mit jeweils verschiedenen Dämpfungen.

1. Einer mit Magnet, der durch eine Rolle Alufolie schwingt. Die Bremswirkung ist die einer Wirbelstrombremse, die Bremskraft hängt von der Geschwindigkeit ab wie
   F = - b*v    (proportional zu v, entgegengerichtet)
2. Einer mit einem "Pappsegel", das vom Luftwiderstand gebremst wird. Dort ist
   F = - c*|v|*v   (proportional zum Quadrat von v, entgegengerichtet)
3. Einer, bei dem die Aufhängung über eine Stange reibt. Hier ist
   F = - d*v/|v|   (konstanter Betrag, entgegengerichtet)

Nehmt von allen drei Bewegungen ein Video auf. Wählt die Einstellung so, dass der Schwinger gut sichtbar im Bild ist und ausreichend Raum einnimmt.

Ladet das Video in das Videoanalyseprogramm VIANA.

Vieles ist selbsterklärend. Ihr müsst den Maßstab im Bild festlegen, ihr müsst einen Urspung definieren, ihr müsst die Objekterkennung vorbereiten - dafür einen Bereich festlegen, in dem das Objekt bleibt, mit der Maus seine Farbe festlegen - und zuletzt die automatische Analyse starten.

Lasst euch das t-y-Diagramm (Höhe des Schwingers über der Zeit) aufgetragen und gebt euch die Daten in Excel oder LibreOffice aus für die weitere Bearbeitung.

Weiterführende Aufgabe zu Induktion und Schwingkreis

https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/elektromagnetische-schwingungen/aufgabe/warensicherung-abitur-2018-ph11-1-a2

Rechnungen im Übungsblatt zur Selbstinduktion

Aufgabe 1

1. Die Stromstärke erreicht allmählich einen asymptotischen Wert, einen "Plateauwert", den sie nicht überschreiten kann, weil der lange dünne Draht in der Spule einen Ohmschen Widerstand R hat.
   Sie erreicht diesen Wert nicht sofort, weil mit dem wachsenden Strom ein magnetischer Fluss in der Spule entsteht, was eine Spannung induziert, die - nach Lenz - gegen die äußere Spannungsquelle wirkt. Dieses Phänomen heißt Selbstinduktion.
2. Plateauwert I0 = 1,2 A. U0 = 12 V.  R = U0/I0 = 10 Ohm
   Wachstumsrate des Stroms I'(0) = 1,2A/0,5ms = 1,2A/0,0005s = 2400A/s
   L = U0/I'(0) = 12 V / (2400 A/s)  = 0,005 H
3. W = 1/2 * L * I² = 0,5*0,005*1,44 J = 0,0036 J

Aufgabe 2

1. In Luft ist myr = 1.
   L = my0 * A/l * N² = 0,1047 H
2. I0 = U0/R = 4,5 V / 100 Ohm = 0,045 A
3. I(t) = 0,045 A * (1 - e^(-100 Ohm/0,1047 H * t))  = 0,045 A * (1 - e^(- t / 0,001047s))
   man wählt also am besten eine Skala mit Millisekunden auf der x-Achse und 0,01 A auf der y-Achse.
4. L = 0,4189 H,  I0 = 0,0225 A
   I(t) = 0,0225 A * (1 - e^(-t / 0,002094 s))
   der Plateauwert ist halb so hoch und wird doppelt so spät erreicht.
5. Der Plateauwert I0 bleibt gleich, er hängt nicht von L ab.
   In beiden Fällen steigt L auf das 100-fache. Daher nähert sich I(t) nur 1/100-mal so schnell dem Plateauwert. Das wären
   I(t) = 0,045 A * (1 - e^(-t / 0,1047 s)) bzw. 0,0225 A * (1 - e^(-t / 0,2094 s)
6. ohne Kern W = 4,24*10^-5 J  für beide Spulen und mit Kern W = 4,24 * 10^-3 J
   Beide Spulen geben den gleichen WErt, weil die 4-mal so große Induktivität L mit dem 1/4-mal so großen I² multipliziert wird. Halber Strom -> 1/4 noch im I².

leifiphysik

Auf den Seiten von leifiphysik findet man viel über Grundwissen und Versuchen erklärt, dann Aufgaben mit Lösungen:

https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/elektromagnetische-induktion

und hier das Grundprinzip des Transformators
https://www.leifiphysik.de/elektrizitatslehre/transformator-fernubertragung

Themen für die nächste Klausur

unser Buch ist gar nicht schlecht, um sich alles nochmal anzuschauen, und auch die Übungsaufgaben sind gut.

Ich wollte die Klausur mit Themen aus der Induktion machen. Also, wie Bewegung in einem Magnetfeld und wie Änderung des Magnetfelds zu einer Spannung und zu Strom führt. Dazu im Einzelnen ab Seite 50:

Abschnitte
2.1.1 Induktionsgesetz
2.1.2 bewegtes Leiterstück im Magnetfeld, Transformator, Generator
2.1.3 Selbstinduktion (Achtung in Abbildung Experiment 2.9 auf S57 leuchtet die Glimmlampe unten, OBEN wäre aber richtig, DRUCKFEHLER)
2.1.5 Wirbelströme
Das Kapitel 2.1.4 zur Energie des magnetischen Felds machen wir morgen

Im Überblick auf S90 die obere Hälfte sieht man es auch noch einmal.

Aufgaben S61: 1,2,3,4,5,7,8,9
Aufgaben S88f: 3a,5,7,8, demnächst auch 4.

Praktikum am CERN im Mai 2019 - für wen wäre das was?

Vermittelt von der DPG, der deutschen physikalischen Gesellschaft.
http://www.dpg-physik.de/programme/hssip.html
und hier die direkte Seite am CERN in Genf
https://indico.cern.ch/event/750637/

Aufgaben vom 10.12.18

1 - Erdmagnetfeld

1. Horizontalkomponente nach Norden, linke-Hand-Regel ergibt Kraft nach unten.
2. F = B*I*s = 0,000019T * 100A * 100m = 0,19 N
3. linke-Hand-Regel ergibt Kraft nach Süden mit F = B*I*s = 0,63 N
   Beide Komponenten kann man mit Pythagoras addieren und erhält eine Gesamtkraft von 0,7 N

2 - Schwebender Draht

1. Gewichtskraft und Lorentzkraft im Gleichgewicht
   m*g = B*I*s         umstellen nach B
   B = m*g/(I*s) = 0,49 N /(30 A * 1 m) = 0,016 T = 16 mT
   was nicht so viel ist, ein einigermaßen kräftiger Hufeisenmagnet hat das zwischen seinen Armen.

3 - alpha-Teilchen

1. F = q*v*B
   v berechnen aus 1/2 m v² = q U_A zu v = Wurzel(2 q U_A/m) = 4391 m/s
   ergibt F = 1,69*10^-16 N
2. Die Kraft muss ausgeglichen werde durch die elektrische Kraft
   F = q*E  = q*U/d.
   Die Spannung muss also den Betrag haben:
   U = F*d/q = 6,3 V

4 - Hall-Sonde

1. Hall-Konstante aus umgestellter Gleichung
   R = U*d/(I*B) = -0,0206V*0,00100m/(0,030A*0,106T) = -0,00648 m³/C
   (das ist die Einheit der Hall-Konstante, das Inverse einer Ladungsdichte. Ihr könnt  es auch nachprüfen, indem ihr z.B. bei Spannung V=J/C und so weiter einsetzt und dann alles rauskürzt)
2. n = 1/(e*R) = 9.65*10^20 m^-3
   Das heißt so viele (oder wenig) frei bewegliche Elektronen pro Kubikmeter Material.
3. Vergleich mit der Atomdichte
   rho = n*m also Massendichte ist Teilchendichte mal Masse pro Teilchen
   n = rho/m = 5330kg/m³ / (1.206*10^-25 kg) = 4,42*10^28 m^-3
   also viel, viel, viel mehr Atome als freie Elektronen
   Das Verhältnis ist 4,58*10^6, es kommt also nur ein bewegliches Elektron auf fast 5 Millionen Atome. Das ist sehr wenig, weshalb die Elektronen ganz schön schnell sich bewegen müssen, also fast 5 Millionen mal schneller als in einem Metall, wo typischerweise jedes Atom ein Leitungselektron liefert. Daher ist dort auch die Lorentzkraft auf die Elektronen recht groß und die Hall-Spannung ganz gut messbar.

5 - Spule mit Magnetfeld

1. B = my*N/l*I umgestellt zu
   my = B*l/(I*N) = 0,000840T*0,70m/(1,5A*300) = 1,3*10^-6 Tm/A