Überblick Physik- kurz vor dem Abi
Teil II: E- und B-Felder
Erstellt von J. RudolfÜberarbeitet von H.Brehm
Inhalt Kurzer Überblick über Gleichstrom Elektrisches Feld Magnetisches Feld Teilchen in E- und B-Feldern
Gleichstrom Ladung Q (Einheit Coulomb) Stromstärke I (Einheit Ampere) El. Arbeit W (Einheit
Joule=1Ws=1VAs) El.Leistung P (Einheit Watt=1VA) Elektr.Widerstand R
Ohmsches Gesetz Widerstand eines Drahtes Reihenschaltung Parallelschaltung
Reihenschaltung Strom ist überall gleich Spannung teilt sich auf
Spannungsabfall an den einzelnen Widerständen U=R*Iges
Parallelschaltung Spannung ist gleich Strom teilt sich auf I=Uges/R
QIt
QI
tIUUQW
IUt
WP
.constI
UR
A
lR
21 RRRers
21
111
RRRers
E-Feld (1) Einführung des E-
Feldes Feldlinienbilder „Geladenes Kügelchen
(Pendel) zwischen Kondensatorplatten“:
Skizze mit Kräften: G und Fel
Fel ~ s (bei kl. Winkeln) s~q
F ~ q => E als Proportionalitätsfaktor
E unabhängig von Probeladung: E = F/q
l
sGF
E-Feld (2) Einführung der Spannung
Arbeit = Kraft mal Weg im homogenen Feld:
W = Fel d = q E d Somit: W ~ q
Allgemeine Beobachtung: W ~ q U als Proportionalitätsfaktor U unabhängig von Probeladung: U = W/q
Bedeutung Maß der Energie entsteht durch Ladungstrennung
Potenzial
Gravitationsfeld –elektr. Feld
Hier nachschauen
E-Feld (3) Flächendichte σ = Ladung pro Fläche „Löffel-Experiment“ im Kondensator
bei höheren Spannung mehr Ladung auf Löffel ... => σ ~ E => Ladungen sind Quellen des Feldes Einführung der el. Feldkonstante ε0= σ/E Bedeutung:
„pro Ladung entsteht eine bestimmte Anzahl von Feldlinien“
„Ladungen dicht gepackt = hohe Flächenladungsdichte“
starkes E-Feld
E-Feld (4) Einführung der Kapazität
Kondensator Q ~ U C als Proportionalitätsfaktor C unabhängig von U: C = Q/U (Einheit Farad) Bedeutung: Ladungsmenge auf Kondensator pro
Volt angelegter Spannung Herleitung der Formel beim Plattenkondensator
C = Q/U = σ A / (E d) = ε0 E A / (E d) = ε0 A / d Berücksichtigung des Mediums
Erklären: Hineinschieben eines Dielektrikums z. B.: Q = const. aber U Verschiebungspolarisation: E-Feld wird abgeschirmt ...
E-Feld (5) Reihenschaltung (vgl. „Wasserfall“)
Ströme, Ladungen gleich („Wassermenge“) Spannungen addieren („Fallhöhe“)
Widerstände: U = U1 + U2 = R1 I + R2 I = (R1 + R2) I
Kondensatoren: U = U1 + U2 = Q/C1 + Q/C2 = Q (1/C1 + 1/C2)
Parallelschaltung Ströme, Ladungen addieren („Wassermenge“) Spannungen gleich („Fallhöhe“)
Widerstände: I = I1 + I2 =U/R1 + U/R2 = U (1/R1 + 1/R2) I
Kondensatoren: Q = Q1 + Q2 = C1 U+ C2 U= (C1 + C2) U
E-Feld (7) Kondensator - Aufladung –
Entladung über einen Widerstand
Beschreiben - erklären: Ladung/Strom/Spannungsverlauf
Energie des elektr. Feldes
QUCUW2
1
2
1 2
B-Feld (1) Einführung von B
„Leiterschleife hängt in großer Spule“ FL ~ I und FL ~ s => B = FL/(I s) Drei-Finger-Regel der linken Hand
Daumen: physikalische Stromrichtung (Elektronen!)
Zeigefinger B Mittelfinger: Lorentzkraft
Beachte: Falls s und B nicht senkrecht Nur senkrechte Komponente von B
berücksichtigen!!
B-Feld (2) Lorentzkraft:
für Strom: FL = I s B für geladene Teilchen: FL = q v B
Hall-Effekt: Querablenkung der Elektronen ... Erklären!! Elektronen durch FL nach „unten“ „unten“ wird negativ Elektr. Kraft wirkt entgegengesetzt
FL = Fel B e v = e UHall/d UHall /(d v)
B-Feld (3) B-Feld einer langen Spule
z. B. mit Hallsonde oder Leiterschleife messen Erregerstromstärke der Spule: B ~ IErr Durchmesser: keinen Einfluss auf die Flussdichte Wicklungsdichte n/l der Spule: B ~ n/l => B ~ n/l · IErr Proportionalitätskonstante heißt magnetische
Feldkonstante 0 = 4 . 10-7 Tm/A
Berücksichtige evtl. das Medium
Teilchen (1) Teilchen im E-Feld
Elektronen werden entgegen den Feldlinien beschleunigt Aus der Ruhe: Beschleunigung
Energie-Ansatz: Wel = Wkin
Dynamik: Fel = m a Kinematik: v = a t // s = 0.5 a t²
v||E: Beschleunigung / Abbremsen Energie-Ansatz: Wkin(nach) = Wkin(vor) + Wel
Dynamik: Fel = m a Kinematik: v‘ = v + a t // s = 0.5 a t² + v t
vxE: Querablenkung (z. B. im Kondensator) Mit vx = s/t Aufenthaltszeit berechnen In y-Richtung: s. o. („aus der Ruhe“) ... => vy und sy
Ablenkwinkel: tan() = vy/vx
v schräg zu E: Zerlegung in zwei Komponenten ...
Teilchen (2) Teilchen im B-Feld
Lorentzkraft: Positive Ladungen Rechte-Hand-Regel v||B: ----- vB: Kreisbahn
Kraftansatz: FZ = FL z. B. r oder v oder B ... Energie: unverändert, da v F Bei Eintritt / Austritt: Tangential Schikane 1: v || E: Spirale (v r ) Schikane 2: B || E: Schraubenbahn (vy h )
v schräg zu B: Zerlegung in zwei Komponenten vx B: Kreisbahn ... Kraftansatz Umlaufdauer T = 2 r/vx
vy || B: Ganghöhe h = vy T Ergibt Schraubenbahn Schikane: E || B: vy h
Teilchen (3) Teilchen in gekreuztem E- und B-Feld
v E B: Gilt: FL = Fel keine Ablenkung bei v = E/B Anwendung: Geschwindigkeitsfilter
Experimente: Millikan-Versuch: Bestimmung von e (Schweben ... G =
Fel ...) Glaskolben in Helmholtz-Spulen: Bestimmung von e/m und
damit m Wichtige Anwendungen (Erklären – Rechnen!!!)
Braunsche Röhre Massenspektrometer (B-Feld nach Geschwindigkeitsfilter)
Ende von Teil II
Gleich geht‘s weiter mit Teil III:
Induktion und Wechselstrom