AP Physik: Elektrizitätslehre und Kernphysik Review

Übungsfragen zur Vorbereitung auf Prüfungen in Physik mit Fokus auf elektromagnetische Induktion, Transformatoren, Kernzerfall und Reaktorphysik basierend auf den Vorlesungsnotizen.

Nennen Sie Möglichkeiten, um eine hohe Induktionsspannung bei Spulen zu erhalten.

Erhöhung der Windungszahl $n$, schnellere Änderung des Magnetfeldes pro Zeit ($\frac{\text{d} \boldsymbol{B}}{\text{d} t}$), Verwendung eines Eisenkerns zur Verstärkung des magnetischen Flusses oder Vergrößerung der vom Magnetfeld durchsetzten Fläche $A$.

Wann kommt es zur Entstehung von Wirbelströmen?

Wirbelströme entstehen, wenn sich ein massiver elektrischer Leiter in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld befindet oder durch ein inhomogenes Magnetfeld bewegt wird, wodurch im Leiterinneren geschlossene Stromschleifen induziert werden.

Nennen Sie Möglichkeiten, das Auftreten von Wirbelströmen zu verhindern oder einzugrenzen.

Verwendung von geschichteten (lamellierten) Blechpaketen, die durch Isolierschichten voneinander getrennt sind, oder die Verwendung von Schlitzen im Leitermaterial zur Unterbrechung der Stromwege.

Welche Bauformen von Generatoren gibt es und welcher wird häufiger eingesetzt?

Es gibt den Außenpolgenerator und den Innenpolgenerator. Der Innenpolgenerator wird häufiger eingesetzt, da die hohen Ströme direkt an den feststehenden Ständerwicklungen abgenommen werden können und nur der geringe Erregerstrom über Schleifringe auf den rotierenden Läufer übertragen werden muss.

Beschreiben Sie den Aufbau eines Transformators.

Ein Transformator besteht aus einem geschlossenen Eisenkern (meist aus lamellierten Blechen) sowie einer Primärspule (Feldspule) und einer Sekundärspule (Induktionsspule).

Nennen Sie Gründe für die Entwertung von elektrischer Energie (Wirkungsgrad < 100%) bei einem Transformator.

Ohmsche Widerstände der Spulenwicklungen (Kupferverluste), Entstehung von Wirbelströmen im Eisenkern, Ummagnetisierungsverluste (Hystereseverluste) und Streuverluste des Magnetfeldes.

Warum erfolgt die Übertragung von elektrischer Energie bei Hochspannung und nicht mit Hochstrom?

Um die Verlustleistung $P_{Verlust} = R \times I^2$ in den Leitungen zu minimieren. Da die übertragene Leistung $P = U \times I$ ist, führt eine hohe Spannung $U$ zu einem geringen Strom $I$, wodurch die thermischen Verluste quadratisch sinken.

Beschreiben Sie, warum die meisten Atomkerne stabil sind (wirksame Kräfte).

Im Kern wirkt die starke Kernkraft (starke Wechselwirkung) als anziehende Kraft zwischen den Nukleonen, welche die elektrische Abstoßungskraft (Coulomb-Kraft) zwischen den positiv geladenen Protonen überwindet.

Definieren Sie den Begriff „Isotop“.

Isotope sind Atome desselben chemischen Elements, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen im Kern besitzen.

Nennen Sie die drei Isotope des Wasserstoffs.

Protium (leichter Wasserstoff, $^1H$), Deuterium (schwerer Wasserstoff, $^2H$) und Tritium (überschwerer Wasserstoff, $^3H$).

Unterscheiden Sie Alpha-, Beta- und Gammastrahlung hinsichtlich ihrer Ladung.

Alphastrahlung ist zweifach positiv geladen ($He^{2+}$), Betastrahlung ist einfach negativ ($e^-$) oder positiv ($e^+$) geladen, und Gammastrahlung ist elektrisch neutral (Photonen).

Wann tritt Alphazerfall auf?

Alphazerfall tritt primär bei schweren, instabilen Atomkernen auf, die zu groß sind, um durch die starke Kernkraft zusammengehalten zu werden, wobei ein Helium-4-Kern emittiert wird.

Wann kommt es zur Entstehung von Gammastrahlung?

Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern nach einem Alpha- oder Betazerfall in einem angeregten Zustand verbleibt und die überschüssige Energie durch Emission eines hochenenergetischen Photons abgibt.

Was versteht man unter dem Begriff „Nulleffekt“?

Der Nulleffekt bezeichnet die natürliche Umgebungsstrahlung (Hintergrundstrahlung), die durch kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung (z.B. Radon aus dem Boden) verursacht wird und immer vorhanden ist.

Was bedeutet der Begriff „Nachzerfallswärme“?

Nachzerfallswärme ist die Wärmeenergie, die in einem abgeschalteten Reaktor weiterhin durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte freigesetzt wird und eine kontinuierliche Kühlung erfordert.

Nennen Sie die „5A“ des Strahlenschutzes.

Abstand halten, Aufenthaltsdauer begrenzen, Abschirmung nutzen, Aktivität vermindern (Quellstärke), Aufnahme in den Körper vermeiden (Inkorporation).

Warum wurden nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl Jodtabletten an die Bevölkerung verteilt?

Um eine Jodblockade der Schilddrüse zu bewirken. Durch die Einnahme von stabilem Jod wird die Schilddrüse gesättigt, sodass sie kein radioaktives Jod-131 aus der Umgebung mehr aufnehmen kann.

Erläutern Sie, wie eine Kernspaltung erreicht wird.

Ein schwerer Kern (z.B. $^{235}U$) fängt ein langsames (thermisches) Neutron ein. Dadurch wird der Kern instabil, gerät in Schwingung und spaltet sich in zwei mittelschwere Kerne unter Freisetzung von Energie und weiteren Neutronen.

Beschreiben Sie, wie in einem Reaktor eine kontrollierte Kettenreaktion erreicht wird.

Durch den Einsatz von Moderatoren (zur Abbremsung von Neutronen) und Steuerstäben (aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium), die den Neutronenfluss so regulieren, dass im Durchschnitt genau ein Neutron eine weitere Spaltung auslöst.

Was ist eine Radionuklidbatterie?

Ein Gerät, das die beim radioaktiven Zerfall entstehende Wärmeenergie nutzt, um mittels Thermoelementen (Seebeck-Effekt) direkt elektrische Energie zu erzeugen, häufig eingesetzt in der Raumfahrt.