3003 Fragen zu Physik

Elektronen stürzen nicht in den Atomkern, weil sie sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik verhalten, nicht nach den klassischen Gesetzen der Physik. In der klassischen Physik würde ein negativ geladenes Elektron, das sich um einen positiv geladenen Kern bewegt, ständig Energie abstrahlen und schließlich in den Kern stürzen. Das passiert aber nicht. Die Quantenmechanik beschreibt Elektronen als Wellenfunktionen, nicht als kleine Teilchen, die auf festen Bahnen kreisen. Es gibt bestimmte erlaubte Energieniveaus (Quantenzustände), auf denen sich Elektronen aufhalten können. Das niedrigste dieser Niveaus nennt man Grundzustand. Ein Elektron im Grundzustand kann keine Energie mehr abgeben, weil es schon die geringstmögliche Energie hat. Es gibt also keinen noch niedrigeren Zustand, in den es "hineinstürzen" könnte. Außerdem verhindert die Heisenbergsche Unschärferelation, dass das Elektron gleichzeitig einen genau bestimmten Ort (im Kern) und eine genau bestimmte Geschwindigkeit hat. Würde das Elektron im Kern sitzen, wären Ort und Impuls beide exakt bestimmt, was laut Unschärferelation unmöglich ist. Deshalb bleiben Elektronen in einer "Wolke" um den Kern verteilt und stürzen nicht hinein.

Ein Atom ist nach außen hin ungeladen, weil es genauso viele positiv geladene Protonen im Atomkern wie negativ geladene Elektronen in der Hülle besitzt. Die positiven und negativen Ladungen heben sich gegenseitig auf, sodass das Atom insgesamt elektrisch neutral ist. Nur wenn ein Atom Elektronen aufnimmt oder abgibt (und so zum Ion wird), trägt es eine elektrische Ladung.

Ultraschall bezeichnet Schallwellen mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs, also über etwa 20.000 Hertz (20 kHz). Die Wellenlänge von Ultraschall hängt von der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit im jeweiligen Medium ab. Die Wellenlänge λ berechnet sich nach der Formel: λ = c / f - **c** = Schallgeschwindigkeit im Medium (z. B. ca. 343 m/s in Luft bei 20 °C, ca. 1.500 m/s in Wasser) - **f** = Frequenz der Ultraschallwelle **Beispielrechnung in Luft:** - Bei 20 kHz: λ = 343 m/s / 20.000 Hz ≈ 0,017 m = 17 mm - Bei 1 MHz (medizinischer Ultraschall): λ = 343 m/s / 1.000.000 Hz ≈ 0,00034 m = 0,34 mm **Beispielrechnung in Wasser:** - Bei 1 MHz: λ = 1.500 m/s / 1.000.000 Hz = 0,0015 m = 1,5 mm **Fazit:** Die Wellenlänge von Ultraschall liegt – je nach Frequenz und Medium – typischerweise im Bereich von Millimetern bis Bruchteilen eines Millimeters.

Das Gesetz der Thermodynamik gibt es nicht als einzelnes Gesetz, sondern es gibt mehrere Hauptgesetze der Thermodynamik, die die grundlegenden Prinzipien der Energieumwandlung und -übertragung in physikalischen Systemen beschreiben: 1. **Nullter Hauptsatz der Thermodynamik:** Wenn zwei Systeme jeweils mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht stehen, dann stehen sie auch miteinander im thermischen Gleichgewicht. Das ermöglicht die Definition der Temperatur. 2. **Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung):** Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Die Änderung der inneren Energie eines Systems entspricht der zugeführten Wärme minus der geleisteten Arbeit. 3. **Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:** In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie (Maß für die Unordnung) niemals ab. Wärme fließt spontan nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper, nicht umgekehrt. 4. **Dritter Hauptsatz der Thermodynamik:** Der absolute Nullpunkt der Temperatur (0 Kelvin) kann nicht durch eine endliche Anzahl von Prozessen erreicht werden, und die Entropie eines perfekten Kristalls ist bei 0 Kelvin null. Diese Gesetze sind grundlegend für das Verständnis von Energie, Wärme und Arbeit in der Physik und Technik.

In der Physik bedeutet „durchscheinend“, dass ein Material Licht teilweise hindurchlässt, aber nicht vollständig durchsichtig ist. Das heißt, Licht kann das Material passieren, wird dabei aber gestreut, sodass man keine klaren Bilder durch das Material sehen kann. Typische Beispiele für durchscheinende Materialien sind Milchglas, dünnes Papier oder gefrostetes Glas. Der Fachbegriff dafür ist „transluzent“.

In der Physik bedeutet „durchlässig“, dass ein Material oder Medium bestimmte Teilchen, Strahlung oder Felder hindurchlässt. Das kann sich zum Beispiel auf Licht, Wärme, elektrische Ströme, Magnetfelder oder Flüssigkeiten beziehen. Ein durchlässiges Material bietet also keinen oder nur geringen Widerstand gegen das Durchdringen dieser Größen. Ein Beispiel: Glas ist für sichtbares Licht durchlässig, aber für UV-Strahlung weniger. In der Elektrotechnik spricht man etwa von „magnetischer Durchlässigkeit“ (Permeabilität), die angibt, wie gut ein Material Magnetfelder durchlässt.

In der Physik bedeutet "lichtdurchlässig", dass ein Material Licht hindurchlassen kann. Das heißt, Lichtstrahlen können das Material passieren, ohne vollständig absorbiert oder reflektiert zu werden. Je nach Grad der Lichtdurchlässigkeit unterscheidet man: - **Transparent:** Das Material ist vollständig lichtdurchlässig, man kann klar hindurchsehen (z. B. Fensterglas). - **Transluzent:** Das Material lässt Licht durch, aber es wird gestreut, sodass man nicht klar hindurchsehen kann (z. B. Milchglas). - **Opak:** Das Material ist nicht lichtdurchlässig, Licht kann nicht hindurchtreten (z. B. Holz). Lichtdurchlässigkeit ist also die Eigenschaft eines Stoffes, Licht ganz oder teilweise durchzulassen.

Um den Druck \( P_B \) (bzw. \( P_2 \)) an Punkt B in einer Röhre mit Luftströmung zu berechnen, wenn du folgende Werte hast: - Höhenwerte \( Z_A \) und \( Z_B \) (in m) - Temperaturen \( t_A \) und \( t_B \) (in °C) - Druck am Punkt A (\( P_A \)) (in Pa) benötigst du noch weitere Informationen, um den Druck an Punkt B eindeutig zu bestimmen. Typischerweise wird in solchen Aufgaben die **Bernoulli-Gleichung** (für inkompressible oder schwach kompressible Strömungen) verwendet. Für Luft (als Gas) ist die Kompressibilität zu beachten, aber für kleine Druckunterschiede kann man oft die vereinfachte Form nutzen. **Bernoulli-Gleichung (vereinfacht, inkompressibel):** \[ P_A + \frac{1}{2} \rho v_A^2 + \rho g Z_A = P_B + \frac{1}{2} \rho v_B^2 + \rho g Z_B \] **Benötigte Werte:** - Dichte der Luft (\( \rho \)), abhängig von Temperatur und Druck - Strömungsgeschwindigkeiten an A und B (\( v_A \), \( v_B \)) **Was fehlt:** - Die Strömungsgeschwindigkeiten an den Punkten A und B oder eine Möglichkeit, diese zu berechnen (z.B. Querschnittsflächen und Volumenstrom) - Die Dichte der Luft an den jeweiligen Punkten (kann aus Temperatur und Druck berechnet werden) **Berechnung der Luftdichte:** \[ \rho = \frac{P}{R \cdot T} \] mit - \( P \): Druck in Pa - \( R \): spezifische Gaskonstante für trockene Luft (\( R = 287 \) J/(kg·K)) - \( T \): Temperatur in Kelvin (\( T = t + 273.15 \)) **Vorgehen:** 1. Temperaturen in Kelvin umrechnen. 2. Luftdichte an Punkt A (und ggf. B) berechnen. 3. Falls Strömungsgeschwindigkeiten bekannt sind, Bernoulli-Gleichung anwenden. 4. Falls nicht, kann der Druck an B nicht eindeutig berechnet werden. **Fazit:** Mit den gegebenen Daten (nur Höhen, Temperaturen und Druck an A) **kannst du den Druck an B nicht eindeutig berechnen**, solange nicht mindestens eine der folgenden Größen bekannt ist: - Strömungsgeschwindigkeiten an A und B - Querschnittsflächen und Volumenstrom - Druckdifferenz oder weitere Randbedingungen **Weitere Informationen zur Bernoulli-Gleichung findest du z.B. hier:** [Wikipedia: Bernoulli-Gleichung](https://de.wikipedia.org/wiki/Bernoulli-Gleichung)

Beim Knotenpotentialverfahren (auch Knotenpunktanalyse genannt) in der Elektrotechnik bedeutet ein „geerdeter Knoten“, dass das elektrische Potential dieses Knotens als Bezugspotential (Nullpotential) festgelegt wird. Das heißt, das Potential dieses Knotens wird auf 0 Volt gesetzt. Im Verfahren selbst werden dann die Potentiale aller anderen Knoten relativ zu diesem geerdeten Knoten berechnet. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Unbekannten um eins, da das Potential des geerdeten Knotens bereits bekannt ist. Der geerdete Knoten wird auch als „Masseknoten“ oder „Bezugsknoten“ bezeichnet.

In einer Parallelschaltung teilt sich der Strom so auf, dass jeder Zweig (also jeder parallel geschaltete Verbraucher) einen eigenen Teilstrom erhält. Die Höhe des Stroms in jedem Zweig hängt vom Widerstand des jeweiligen Verbrauchers ab: Je kleiner der Widerstand, desto größer der Strom in diesem Zweig. Die Gesamtstromstärke \( I_{ges} \), die von der Quelle kommt, ist die Summe der Teilströme in den einzelnen Zweigen: \[ I_{ges} = I_1 + I_2 + I_3 + \ldots \] Dabei gilt: Die Spannung an allen parallel geschalteten Verbrauchern ist gleich. Zusammengefasst: - Die Spannung ist in allen Zweigen gleich. - Der Strom teilt sich auf die Zweige auf, abhängig von deren Widerständen. - Die Summe der Teilströme ergibt den Gesamtstrom.

Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur. Das liegt daran, dass bei höheren Temperaturen mehr Elektronen genug Energie erhalten, um vom Valenzband ins Leitungsband überzugehen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger (Elektronen und Löcher), was die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Im Gegensatz dazu nimmt bei Metallen die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab, weil die Beweglichkeit der Elektronen durch stärkere Gitterschwingungen (Streuung) verringert wird. Zusammengefasst: **Je höher die Temperatur, desto größer ist die Leitfähigkeit von Halbleitern.**

1 Meter pro Quadratsekunde (m/s²) ist eine Einheit der Beschleunigung. Die gesuchte Umrechnung ist in die Einheit „Meter pro Minutenquadrat“ (m/min²). **Umrechnung:** 1 Sekunde = 1/60 Minute 1 Quadratsekunde = (1/60)² Minuten² = 1/3600 Minuten² Daher gilt: 1 m/s² = 1 Meter pro (Sekunde)² = 1 Meter pro (1/60 Minute)² = 1 Meter pro (1/3600 Minuten²) = 3600 Meter pro Minutenquadrat (m/min²) **Antwort:** 1 m/s² entspricht **3600 Meter pro Minutenquadrat (m/min²)**.

Die wichtigsten Messgrößen der Gravitation sind: 1. **Gravitationskonstante (G):** Sie gibt die Stärke der Gravitation an und hat den Wert \( G = 6{,}674 \times 10^{-11} \, \mathrm{m}^3\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{s}^{-2} \). 2. **Gravitationskraft (F):** Die Kraft, mit der sich zwei Massen anziehen. Sie wird mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz berechnet: \( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \) wobei \( m_1 \) und \( m_2 \) die Massen und \( r \) der Abstand zwischen den Massen ist. 3. **Gravitationsfeldstärke (g):** Sie beschreibt die Kraft pro Kilogramm Masse an einem bestimmten Ort: \( g = \frac{F}{m} \) Auf der Erdoberfläche beträgt sie etwa \( 9{,}81\,\mathrm{m/s}^2 \). 4. **Gravitationspotential (Φ):** Das Potential beschreibt die potentielle Energie pro Masse im Gravitationsfeld: \( \Phi = -G \frac{M}{r} \) wobei \( M \) die Masse des Zentralkörpers und \( r \) der Abstand ist. Diese Größen werden in der Physik verwendet, um die Wirkung der Gravitation zu beschreiben und zu messen.

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung (U), Stromstärke (I) und elektrischem Widerstand (R) in einem elektrischen Leiter. Es lautet: **U = R × I** - **U** ist die elektrische Spannung in Volt (V) - **I** ist die Stromstärke in Ampere (A) - **R** ist der Widerstand in Ohm (Ω) **Funktionsweise:** Das Gesetz besagt, dass die Spannung zwischen zwei Punkten eines Leiters direkt proportional zum fließenden Strom ist, solange der Widerstand konstant bleibt. **Anwendung in Schaltungen:** 1. **Berechnung unbekannter Größen:** Wenn zwei der drei Größen (U, I, R) bekannt sind, kann die dritte berechnet werden. Beispiel: - Spannung bekannt (U), Widerstand bekannt (R) → Strom: I = U / R - Strom bekannt (I), Widerstand bekannt (R) → Spannung: U = R × I - Spannung bekannt (U), Strom bekannt (I) → Widerstand: R = U / I 2. **Dimensionierung von Bauteilen:** Das Ohmsche Gesetz hilft, passende Widerstände für LEDs oder andere Bauteile auszuwählen, damit diese nicht beschädigt werden. 3. **Analyse von Schaltungen:** In Reihenschaltungen addieren sich die Widerstände, in Parallelschaltungen berechnet man den Gesamtwiderstand anders. Das Ohmsche Gesetz wird dann auf den Gesamtwiderstand angewendet. **Beispiel:** Eine Glühbirne mit 60 Ω Widerstand wird an eine 12 V Batterie angeschlossen. Gesucht: Stromstärke I = U / R = 12 V / 60 Ω = 0,2 A Das Ohmsche Gesetz ist also ein zentrales Werkzeug, um elektrische Schaltungen zu verstehen, zu berechnen und zu planen.

In einer Parallelschaltung berechnest du den Gesamtwiderstand \( R_{ges} \) mit folgender Formel: \[ \frac{1}{R_{ges}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + \ldots \] Das bedeutet: Du addierst die Kehrwerte (also \( 1/R \)) aller Einzelwiderstände und nimmst dann vom Ergebnis wieder den Kehrwert, um den Gesamtwiderstand zu erhalten. **Beispiel:** Hast du zwei Widerstände \( R_1 = 100\,\Omega \) und \( R_2 = 200\,\Omega \) parallel geschaltet, dann gilt: \[ \frac{1}{R_{ges}} = \frac{1}{100} + \frac{1}{200} = 0{,}01 + 0{,}005 = 0{,}015 \] \[ R_{ges} = \frac{1}{0{,}015} \approx 66{,}67\,\Omega \] Der Gesamtwiderstand ist bei einer Parallelschaltung immer kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.