Physik (Grundprinzipien)

Abteilung Telecom: Physik

Die allgemeinen Grundprinzipien der Physik

[Grundprinzipien] [Zustands- und Materialgleichungen] [Schaltungsregeln] [Formelsatz Elektrizität und Wärme]

Fast alle physikalischen Vorgänge können auf wenige Phänomene zurückgeführt und mit denselben Grundprinzipien analysiert werden. Die wichtigsten Ueberlegungen kommen in verschiedenen Gebieten in analoger mathematischer Form stets wieder vor. Daher empfiehlt sich eine integrale Denkweise bei der Behandlung physikalischer Vorgänge und Erscheinungen. Die Einführung der Grundprinzipien geschieht am einfachsten am Beispiel des elektrischen Stromes. Sie können aber auf viele Gebiete der Physik übertragen werden.

1. Die Erhaltungsgrösse

Es existiert eine mengenartige Grösse, welche gezählt und gemessen werden kann. Verschwindet ein Teil an einem Ort, so muss die gleiche Menge an einem anderen Ort wieder auftauchen.

2. Strom und Stromdichte

Die zeitliche Aenderung der Erhaltungsgrösse nennen wir Strom. Der auf die Flächeneinheit bezogene Strom heisst Stromdichte.

3. Potential und Spannung

Damit ein Strom fliessen kann, ist eine Ursache nötig. Diese Ursache nennen wir Potential. Der Strom fliesst immer von höherem zu niedrigerem Potential. Eine Potentialdifferenz heisst Spannung. Haben zwei Punkte dasselbe Potential, fliesst kein Strom zwischen ihnen.

4. Das Strömungsgesetz (Widerstand, Leitwert)

Den Spannungen stehen Widerstände entgegen, welche den Strom hemmen. Den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom nennen wir Stršmungsgesetz. Es ist in vielen Fällen linear. Der Kehrwert des Widerstandes heisst Leitwert.

5. Die Speichergleichung

Fliesst die Erhaltungsgrösse in einen Speicher ohne Abfluss, so wird dieser mit zunehmender Spannung geladen. Der Proportionalitätsfaktor heisst Kapazität. Laden und Entladen eines Speichers lassen sich oft durch eine Exponetialfunktion beschreiben. Wichtige Kenngrössen sind dabei die Zeitkonstante und die Halbwertszeit.

^ Zustands- und Materialgleichungen

Neben den Grundprinzipien braucht man noch diverse Materialgleichungen, welche den Zusammenhang mit den Materialeigenschaften wiedergeben. Die Einzelheiten werden in den entsprechenden Kapiteln behandelt. Hier seinen nur einige Stichworte dazu angegeben:

Elektrizität: Berechnung von Ohmschen Widerstand, Induktivität, Kapazität, Schein-, Wirk- und Blindleistung, Phasenverschiebung, Berechnung von Impedanzen.

Wärme: Ausdehnungsgesetz, Kompressibilität, allgemeine Gasgleichung, Transportgleichungen für Leitung, Konvektion und Strahlung.

^ Die Schaltungsregeln

Es gibt im Prinzip zwei grundsätzliche Schaltmöglichkeiten, die Serienschaltung und die Parallelschaltung.

a) Serienschaltung
Fliesst ein Strom durch mehrere hintereinander geschaltete Widerstände und ist er überall gleich gross (Gültigkeit der Kontinuitätsgleichung), so folgt daraus die Proportionalität von Spannungen und Widerständen. Teilspannungen können zur Gesamtspannung addiert werden. Der Gesamtwiderstand ist gleich der Summe der einzelnen Widerstände.

b) Parallelschaltung
Verzweigt sich ein Strom an einer Knotenstelle, so ist der Gesamtstrom gleich der Summe der Teilströme. Dies ist eine Folge des Erhaltungssatzes (Grundprinzip 1).

^ Formelsatz	Elektrizität	Wärme
1. Erhaltungsgrösse (Substanz)	Ladung Q	Wärmemenge Q
2. Strom Stromdichte	I = DQ/Dt = I/A	= DQ/Dt Wärmestrom = /A Wärmestromdichte
3. Potential Spannung	j U = j₁ - j₂	T Absolute Temperatur DT = T₁ - T₂
4. Strömungsgesetz Widerstand Leitwert	I = U/R Ohm'sches Gesetz R G = 1/R	= DT/R (Leitung) = a DT_tot (Uebergang) = k DT_tot (Durchgang) R = d/l L = 1/R = /d k = 1/R_tot
5. Speichergleichung Kapazität Zeitkonstante Halbwertszeit	Q = CU C t = RC T_1/2 = t ln2	DQ = cmT C = cm t = (cm)/(kA) T_1/2 = t ln2

22.10.97 kn