Grundlagen der Physik: Elektromagnetismus und Optik

1. Faradays Experimente zur elektromagnetischen Induktion

Der englische Physiker und Chemiker Michael Faraday gelang es 1831 erstmals, experimentell einen elektrischen Strom aus Magnetismus zu erzeugen (elektromagnetische Induktion). Dies sind seine wichtigsten Experimente:

Erstes Experiment: Bewegung eines Magneten in einer Spule

Wenn sich der Magnet einer Spule nähert, entsteht während der Bewegung ein induzierter Strom. Die Richtung des induzierten Stroms kehrt sich um, wenn der Magnet entfernt wird. Bei fester Spule und festem Magnet wird kein induzierter Strom beobachtet. Die gleichen Ergebnisse werden erzielt, wenn die Spule festgehalten und der Magnet bewegt wird.

Zweites Experiment: Öffnen und Schließen eines Stromkreises

Beim Schließen des Schalters in der ersten Spule wird in der zweiten Spule ein elektrischer Strom induziert. Die Ströme in den Spulen zirkulieren in entgegengesetzte Richtungen. Beim Öffnen des Schalters wird ebenfalls ein elektrischer Strom in der zweiten Spule induziert, jedoch in umgekehrter Richtung. Ein induzierter Strom in der zweiten Spule tritt nur auf, wenn der Strom in der ersten Spule erhöht oder verringert wird, nicht aber, solange er konstant bleibt. Dies beweist, dass die Strominduktion in einem Stromkreis durch wechselnde Magnetfelder verursacht wird.

2. Wirkung eines elektrischen und magnetischen Feldes auf eine Ladung (Lorentzkraft)

Eine bewegte elektrische Ladung ist in Anwesenheit eines magnetischen Feldes einer Kraft ausgesetzt. Diese Kraft wird durch das Lorentz-Gesetz beschrieben.

• Wenn die Ladung in Ruhe ist, erfährt sie keine magnetische Kraft.
• Wenn die Ladung in Bewegung ist, ist sie einer ablenkenden Kraft ausgesetzt, die senkrecht zur Geschwindigkeit und zum Magnetfeld wirkt.

3. Die Gesetze von Lenz und Faraday und ihre Anwendungen

Das Lenz'sche Gesetz

Die Richtung des induzierten Stroms ist stets so, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt.

Das Faraday'sche Induktionsgesetz

Die in einem Stromkreis induzierte elektromotorische Kraft (EMK) ist gleich der negativen Änderungsrate des magnetischen Flusses durch den Stromkreis.

Anwendungen der elektromagnetischen Induktion

Zu den Anwendungen der elektromagnetischen Induktion gehören: elektrische Generatoren (Lichtmaschinen und Dynamos), die Induktivität, die gegenseitige Induktion und die Produktion elektrischer Energie.

4. Der Wechselstromgenerator und Kraftwerke

Um Strom zu erzeugen, muss eine Spule innerhalb eines Magnetfeldes gedreht werden. Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das eine bestimmte Energieform in elektrische Energie umwandelt. Der Wechselstromgenerator wird auch Lichtmaschine genannt.

Stromerzeugung in Kraftwerken

Die verschiedenen Anlagen zur Stromerzeugung unterscheiden sich hauptsächlich durch den verbrauchten Brennstoff und die Art und Weise, wie sie die Spule drehen. In Wasserkraftwerken treibt die Kraft des Wassers die Welle mit den Spulen an. In thermischen Kraftwerken wird Wasser verdampft, sodass der Dampf die Turbinenschaufeln bewegt. Andere Kraftwerke verwenden ähnliche Systeme. Eine Ausnahme bildet die Solarstromerzeugung, bei der Photovoltaik-Zellen Sonnenlicht nutzen, um direkt Strom zu erzeugen.

5. Licht und Schall

Schallwellen sind Longitudinalwellen, die ein Medium zur Ausbreitung benötigen. Licht hingegen besteht aus elektromagnetischen Wellen, die keinen materiellen Träger zur Ausbreitung benötigen.

6. Das menschliche Auge und Sehfehler

Unser optisches System besteht aus der Hornhaut und der Linse. Die Linse wirkt wie eine Sammellinse, und das Bild wird auf der Netzhaut erzeugt. Zwei häufige Mängel unseres optischen Systems sind:

Kurzsichtigkeit (Myopie)

Bei Myopie kann die Person entfernte Objekte nicht deutlich sehen. Der Fernpunkt liegt in einer endlichen Entfernung (oft nur wenige Meter). Das kurzsichtige Auge sieht Objekte jenseits dieses Punktes nicht scharf, da das Bild vor der Netzhaut gebildet wird. Kurzsichtigkeit wird mit Zerstreuungslinsen korrigiert.

Weitsichtigkeit (Hyperopie)

Bei Hyperopie kann die Person nahe Objekte nicht deutlich sehen. Der Nahpunkt liegt weiter entfernt als normal (ca. 25 cm). Das Bild wird hinter der Netzhaut gebildet. Weitsichtigkeit kann mit Sammellinsen korrigiert werden.

7. Die Natur des Lichts

Die Korpuskulartheorie (Newton)

Die Korpuskulartheorie, von Newton verteidigt, behandelte Licht als mechanische Teilchen und erklärte Phänomene wie Reflexion und Brechung.

Die Wellentheorie (Huygens)

Die Wellentheorie, von Huygens befürwortet, besagte, dass Licht eine Störung in einem Medium (Äther) ist, die sich als Welle ausbreitet. Er nahm an, dass es sich um Longitudinalwellen handelte.

Der Welle-Teilchen-Dualismus

Im zwanzigsten Jahrhundert entfachte die Entdeckung des photoelektrischen Effekts die Debatte über die Natur des Lichts neu. Dieses Phänomen zeigt die korpuskulare Natur des Lichts, bei der Lichtenergie in Paketen, den sogenannten Photonen, ausgetauscht wird.

8. Die Lupe

Die Funktionsweise einer Lupe wird durch das System der Strahlenabbildung dargestellt. Das Objekt wird nahe dem Brennpunkt der Lupe platziert, sodass ein vergrößertes virtuelles Bild entsteht. Schließlich erfolgt die Bildbildung durch das Auge, wobei die Größe des Bildes auf der Netzhaut größer ist, als wenn das Objekt ohne Lupe betrachtet würde.

9. Die Kamera

Die Funktionsweise einer Kamera ähnelt der des menschlichen Auges: Das Objektiv entspricht der Linse und der Film (oder Sensor) der Netzhaut. Die Fokussierung der Objekte auf den Film wird durch die Anpassung des Abstands zwischen Objektiv und Film erreicht. Die Lichtmenge, die in die Kamera gelangt, wird durch die Belichtungszeit und die Blende (Diaphragma) reguliert.

10. Polarisation des Lichts

Ein Lichtstrahl ist linear polarisiert, wenn die Oszillationen des elektrischen Feldes stets in der gleichen Ebene stattfinden.

11. Grenzwinkel und Totalreflexion

Der Grenzwinkel (oder kritische Winkel) ist der Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel 90 Grad beträgt. Bei Einfallswinkeln, die größer als der Grenzwinkel sind, tritt Totalreflexion auf.