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