Welche Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und magnetischer Sättigung?

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Welche Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Temperatur und magnetischer Sättigung?

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Wie steigt der Druck von Wasser in einem geschlossenen System bei Erhitzung über 100 Grad?

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Wie stark kann ein elektromagnetisches Feld sein?

Warum steigt die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolie mit der Temperatur?

Accepted Answer

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und magnetischer Sättigung wird häufig durch die Brillouin-Funktion beschrieben, die in der Magnetismus-Theorie verwendet wird. Eine vereinfachte Form der Beziehung kann durch die folgende Formel dargestellt werden: \[ M(T) = M_0 \cdot \frac{g \mu_B S}{k_B T} \cdot \text{coth}\left(\frac{g \mu_B S}{k_B T}\right) \] Hierbei ist: - \( M(T) \) die magnetische Sättigung bei Temperatur \( T \), - \( M_0 \) die maximale magnetische Sättigung, - \( g \) der Landé-Faktor, - \( \mu_B \) das Bohrsche Magneton, - \( S \) der Spin des Elektrons, - \( k_B \) die Boltzmann-Konstante. Diese Formel zeigt, dass die magnetische Sättigung mit steigender Temperatur abnimmt, da thermische Fluktuationen die Ausrichtung der Spins stören.

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Wenn Wasser in einem geschlossenen System erhitzt wird, steigt der Druck deutlich an, sobald die Temperatur über 100 °C steigt. Das liegt daran, dass Wasser bei 100 °C unter Normaldruck (... [mehr]

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Wenn Wasser in einem geschlossenen System erhitzt wird, steigt der Druck deutlich an, sobald die Temperatur über 100 °C steigt. Das liegt daran, dass Wasser bei 100 °C unter Normaldruck (1 bar) siedet, aber in einem geschlossenen Behälter kann der Dampf nicht entweichen. Dadurch erhöht sich der Druck mit steigender Temperatur. Hier einige Beispiele für den Druck von Wasserdampf in einem geschlossenen System bei verschiedenen Temperaturen (Werte gerundet): - **100 °C:** ca. 1 bar (Siedepunkt bei Normaldruck) - **120 °C:** ca. 2 bar - **134 °C:** ca. 3 bar - **150 °C:** ca. 4,7 bar - **180 °C:** ca. 10 bar - **200 °C:** ca. 15,5 bar Die Beziehung zwischen Temperatur und Druck ist nicht linear, sondern folgt der sogenannten Dampfdruckkurve von Wasser. Je höher die Temperatur, desto schneller steigt der Druck. **Wichtiger Hinweis:** Das Erhitzen von Wasser in einem geschlossenen System ist gefährlich, da der Druck sehr schnell steigen kann. Es besteht Explosionsgefahr, wenn das System nicht für solche Drücke ausgelegt ist. Weitere Informationen und eine vollständige Dampfdrucktabelle findest du z. B. hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Dampfdruck#Dampfdrucktabelle **Fazit:** Der Druck steigt beim Erhitzen von Wasser in einem geschlossenen System sehr stark an – schon wenige Grad über 100 °C führen zu einer deutlichen Druckerhöhung.

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Um die Temperaturerhöhung zu berechnen, benötigst du folgende Schritte: **1. Gesamtenergie berechnen:** 150 Watt = 150 Joule/Sekunde 7 Stunden = 7 × 3600 Sekunden = 25.200 Sekunden... [mehr]

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Um die Temperaturerhöhung zu berechnen, benötigst du folgende Schritte: **1. Gesamtenergie berechnen:** 150 Watt = 150 Joule/Sekunde 7 Stunden = 7 × 3600 Sekunden = 25.200 Sekunden Gesamtenergie: 150 J/s × 25.200 s = **3.780.000 Joule** **2. Luftmasse im Raum berechnen:** Raumvolumen: 100 m³ Dichte von Luft: ca. 1,2 kg/m³ Masse: 100 m³ × 1,2 kg/m³ = **120 kg** **3. Temperaturerhöhung berechnen:** Spezifische Wärmekapazität von Luft: ca. 1.000 J/(kg·K) Formel: ΔT = Energie / (Masse × Wärmekapazität) ΔT = 3.780.000 J / (120 kg × 1.000 J/(kg·K)) ΔT = 3.780.000 / 120.000 ΔT = **31,5 K (°C)** **Ergebnis:** Die Temperatur des Raumes würde sich theoretisch um etwa **31,5 °C** erhöhen, wenn keine Wärme verloren geht (idealisierter Fall). In der Praxis gibt es jedoch Wärmeverluste durch Wände, Fenster usw., sodass die tatsächliche Temperaturerhöhung geringer ausfällt.

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Um diese Frage zu beantworten, fehlen noch zwei wichtige Angaben: 1. **Wieviel Energie (z. B. in Joule, Kilowattstunden oder einer anderen Einheit) steht zur Verfügung?** 2. **Was ist mit &bdquo... [mehr]

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Um diese Frage zu beantworten, fehlen noch zwei wichtige Angaben: 1. **Wieviel Energie (z. B. in Joule, Kilowattstunden oder einer anderen Einheit) steht zur Verfügung?** 2. **Was ist mit „damit“ gemeint?** (z. B. eine bestimmte Energiemenge, ein Gerät, eine Heizquelle etc.) Mit diesen Informationen kann die benötigte Wassermenge berechnet werden. Bitte präzisiere die Frage, damit eine genaue Antwort möglich ist.

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Um die Temperaturerhöhung in einem Raum mit 100 m³ Volumen bei einer Heizleistung von 1000 Watt zu berechnen, kann folgende Formel verwendet werden: **Formel:** \[ \Delta T = \frac{P \cdot... [mehr]

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Um die Temperaturerhöhung in einem Raum mit 100 m³ Volumen bei einer Heizleistung von 1000 Watt zu berechnen, kann folgende Formel verwendet werden: **Formel:** \[ \Delta T = \frac{P \cdot t}{c \cdot m} \] - \( \Delta T \): Temperaturänderung in °C (bzw. K) - \( P \): Heizleistung in Watt (W) - \( t \): Zeit in Sekunden (s) - \( c \): spezifische Wärmekapazität von Luft (ca. 1000 J/(kg·K)) - \( m \): Masse der Luft im Raum in kg **Schritt 1: Masse der Luft berechnen** Dichte von Luft: ca. 1,2 kg/m³ Volumen: 100 m³ \[ m = 100\,\text{m}^3 \times 1{,}2\,\text{kg/m}^3 = 120\,\text{kg} \] **Schritt 2: Temperaturerhöhung pro Stunde berechnen** 1 Watt = 1 Joule/Sekunde 1 Stunde = 3600 Sekunden Energie in 1 Stunde: \[ E = 1000\,\text{W} \times 3600\,\text{s} = 3\,600\,000\,\text{J} \] \[ \Delta T = \frac{3\,600\,000\,\text{J}}{1000\,\text{J/(kg·K)} \times 120\,\text{kg}} = \frac{3\,600\,000}{120\,000} = 30\,\text{K} \] **Antwort:** Die Temperatur im Raum würde – unter der Annahme, dass keine Wärme verloren geht – in einer Stunde um etwa **30 °C** steigen. **Wichtige Hinweise:** - In der Praxis gibt es immer Wärmeverluste (z.B. durch Wände, Fenster, Lüftung), sodass die tatsächliche Temperaturerhöhung deutlich geringer ausfällt. - Die Berechnung gilt nur für die Luft, nicht für Möbel, Wände etc., die ebenfalls Energie aufnehmen.

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Das Oersted-Experiment ist ein berühmtes physikalisches Experiment, das 1820 von dem dänischen Physiker Hans Christian Oersted durchgeführt wurde. Dabei entdeckte Oersted, dass ein elek... [mehr]

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Das Oersted-Experiment ist ein berühmtes physikalisches Experiment, das 1820 von dem dänischen Physiker Hans Christian Oersted durchgeführt wurde. Dabei entdeckte Oersted, dass ein elektrischer Strom durch einen Draht ein Magnetfeld erzeugt. Im Experiment zeigte Oersted, dass eine Kompassnadel, die sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters befindet, abgelenkt wird. Das war der erste direkte Nachweis dafür, dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verbunden sind. Diese Entdeckung legte den Grundstein für das Gebiet des Elektromagnetismus. Zusammengefasst: Das Oersted-Experiment zeigt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt und damit Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen.

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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... [mehr]

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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.**

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Die Dichte feuchter Luft (\(\rho\)) hängt von Temperatur, relativer Feuchte und dem Luftdruck (der mit der Höhe über Normalnull, NN, abnimmt) ab. Die Berechnung erfolgt in mehreren Schr... [mehr]

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Die Dichte feuchter Luft (\(\rho\)) hängt von Temperatur, relativer Feuchte und dem Luftdruck (der mit der Höhe über Normalnull, NN, abnimmt) ab. Die Berechnung erfolgt in mehreren Schritten: **1. Sättigungsdampfdruck (\(p_{ws}\)) bei Temperatur \(T\):** Formel nach Magnus (für Temperaturen zwischen 0 und 50 °C): \[ p_{ws} = 6{,}1078 \cdot 10^{\frac{7{,}5 \cdot T}{237{,}3 + T}} \] mit \(T\) in °C und \(p_{ws}\) in hPa. **2. Wasserdampfdruck (\(p_w\)) aus relativer Feuchte (\(\phi\)):** \[ p_w = \phi \cdot p_{ws} \] mit \(\phi\) als Dezimalzahl (z. B. 0,5 für 50 %). **3. Luftdruck (\(p\)) in Abhängigkeit von der Höhe (\(h\)):** Vereinfachte barometrische Höhenformel (für Höhen bis ca. 2000 m): \[ p = p_0 \cdot \left(1 - \frac{0{,}0065 \cdot h}{T_0 + 0{,}0065 \cdot h}\right)^{5{,}255} \] mit \(p_0 = 1013{,}25\) hPa (Standarddruck auf Meereshöhe), \(T_0 = 288{,}15\) K (Standardtemperatur), \(h\) in Metern. **4. Dichte feuchter Luft (\(\rho\)):** \[ \rho = \frac{p_d}{R_d \cdot T} + \frac{p_w}{R_w \cdot T} \] mit \(p_d = p - p_w\) (Partialdruck der trockenen Luft), \(R_d = 287{,}058\) J/(kg·K) (spezifische Gaskonstante trockene Luft), \(R_w = 461{,}495\) J/(kg·K) (spezifische Gaskonstante Wasserdampf), \(T\) in Kelvin. **Zusammengefasst:** 1. Temperatur in Kelvin umrechnen (\(T_{K} = T_{°C} + 273{,}15\)) 2. Sättigungsdampfdruck berechnen 3. Wasserdampfdruck berechnen 4. Luftdruck für die Höhe berechnen 5. Partialdruck der trockenen Luft bestimmen 6. Dichte mit obiger Formel berechnen **Beispiel:** - Temperatur: 20 °C - Relative Feuchte: 60 % - Höhe: 500 m 1. \(T = 293{,}15\) K 2. \(p_{ws} \approx 23{,}37\) hPa 3. \(p_w = 0{,}6 \cdot 23{,}37 = 14{,}02\) hPa 4. \(p \approx 954\) hPa 5. \(p_d = 954 - 14{,}02 = 939,98\) hPa 6. \(\rho = \frac{939,98 \times 100}{287,058 \times 293,15} + \frac{14,02 \times 100}{461,495 \times 293,15} \approx 1,13\) kg/m³ **Weitere Infos und Online-Rechner:** - [Wikipedia: Luftdichte](https://de.wikipedia.org/wiki/Luftdichte) - [Luftdichte-Rechner](https://www.wetterochs.de/wetter/luftdruck.html)

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir berechnen, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Luft im Raum von 15 °C auf 25 °C zu erwärmen, und dann bestimmen, auf welch... [mehr]

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir berechnen, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Luft im Raum von 15 °C auf 25 °C zu erwärmen, und dann bestimmen, auf welche Temperatur der Eisenblock erhitzt werden müsste, um diese Energiemenge abzugeben. **1. Benötigte Energie zum Erwärmen der Raumluft** - Raumvolumen: 30 m³ - Temperaturdifferenz: 25 °C – 15 °C = 10 K - Dichte von Luft (bei ca. 20 °C): ca. 1,2 kg/m³ - Masse der Luft: 30 m³ × 1,2 kg/m³ = 36 kg - Spezifische Wärmekapazität von Luft: ca. 1.000 J/(kg·K) Benötigte Energie: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) \( Q = 36\,\text{kg} \times 1.000\,\text{J/(kg·K)} \times 10\,\text{K} = 360.000\,\text{J} \) **2. Temperatur des Eisenblocks berechnen** - Masse Eisenblock: 5 kg - Spezifische Wärmekapazität von Eisen: ca. 450 J/(kg·K) - Endtemperatur: 25 °C (da der Block am Ende die Raumtemperatur hat) - Anfangstemperatur: \( T_\text{Anfang} \) (gesucht) Abgegebene Wärme des Eisenblocks: \( Q = m \cdot c \cdot (T_\text{Anfang} - T_\text{Ende}) \) Setze gleich: \( 5\,\text{kg} \times 450\,\text{J/(kg·K)} \times (T_\text{Anfang} - 25\,^\circ\text{C}) = 360.000\,\text{J} \) \( 2.250\,\text{J/K} \times (T_\text{Anfang} - 25) = 360.000\,\text{J} \) \( T_\text{Anfang} - 25 = \frac{360.000}{2.250} = 160 \) \( T_\text{Anfang} = 160 + 25 = 185\,^\circ\text{C} \) **Antwort:** Der Eisenblock müsste auf **185 °C** erhitzt werden, um einen Raum von 30 m³ und 15 °C auf 25 °C zu erwärmen (unter Vernachlässigung von Wärmeverlusten und idealer Durchmischung).

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Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Stromstärke, der Bauweise des Elektromagneten und dem v... [mehr]

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Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Stromstärke, der Bauweise des Elektromagneten und dem verwendeten Material. **Magnetische Flussdichte (B-Feld):** - Die Stärke eines Magnetfelds wird meist in Tesla (T) gemessen. - Ein typischer Haushaltsmagnet hat etwa 0,01 bis 0,1 Tesla. - Starke Elektromagnete in Laboren erreichen mehrere Tesla, z. B. 10–20 T. - Die stärksten stationären Labormagnete erreichen derzeit etwa 45 T (z. B. im National High Magnetic Field Laboratory, USA: [https://nationalmaglab.org/](https://nationalmaglab.org/)). - Pulsierende Magnetfelder (nur für sehr kurze Zeit) können sogar über 100 T erreichen. **Elektrische Feldstärke (E-Feld):** - Die elektrische Feldstärke wird in Volt pro Meter (V/m) gemessen. - In der Praxis sind Felder von einigen 100.000 V/m (z. B. bei Hochspannungsleitungen) möglich. - In Laboren können mit speziellen Vorrichtungen auch Felder von mehreren Millionen V/m erzeugt werden. **Grenzen:** - Die praktische Grenze wird durch Materialeigenschaften (z. B. Sättigung von Eisenkernen), Kühlung und die Gefahr von elektrischen Durchschlägen gesetzt. - Theoretisch gibt es auch eine sogenannte Schwinger-Grenze (~4,4 × 10^9 T), bei der das Vakuum selbst instabil wird, aber solche Felder sind mit heutiger Technik unerreichbar. **Zusammengefasst:** Mit heutiger Technik sind stationäre Magnetfelder bis etwa 45 Tesla und elektrische Felder bis einige Millionen Volt pro Meter möglich. In Spezialfällen (z. B. Pulsfelder) können Magnetfelder kurzfristig noch deutlich stärker sein.

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Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) eines Materials beschreibt, wie stark es ein elektrisches Feld beeinflusst bzw. wie gut es elektrische Ladungen polarisieren kann. Bei K... [mehr]

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Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) eines Materials beschreibt, wie stark es ein elektrisches Feld beeinflusst bzw. wie gut es elektrische Ladungen polarisieren kann. Bei Kunststofffolien (also polymeren Isolatoren) steigt die relative Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur aus folgenden Gründen: 1. **Erhöhte Molekularbeweglichkeit:** Mit steigender Temperatur bewegen sich die Polymerketten und ihre Seitenketten stärker. Dadurch können sich die Dipole im Material leichter an ein äußeres elektrisches Feld anpassen und ausrichten. Das führt zu einer stärkeren Polarisierbarkeit und damit zu einer höheren Dielektrizitätskonstante. 2. **Thermische Aktivierung von Dipolen:** Bei niedrigen Temperaturen sind viele Dipole im Kunststoff "eingefroren" und können sich kaum bewegen. Mit zunehmender Temperatur werden mehr dieser Dipole beweglich und können sich am elektrischen Feld ausrichten, was die Permittivität erhöht. 3. **Reduzierte Relaxationszeiten:** Die Zeit, die ein Dipol benötigt, um sich an ein verändertes elektrisches Feld anzupassen (Relaxationszeit), nimmt mit steigender Temperatur ab. Dadurch können mehr Dipole dem Feld folgen, was die effektive Permittivität erhöht. **Grenzen:** Dieser Effekt gilt meist nur bis zu einer bestimmten Temperatur (z. B. unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs). Bei sehr hohen Temperaturen kann die Permittivität auch wieder abnehmen, etwa wenn der Kunststoff schmilzt oder sich zersetzt. **Zusammengefasst:** Die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolien steigt mit der Temperatur, weil die Moleküle beweglicher werden und sich besser am elektrischen Feld ausrichten können.