E-Lehre
Das elektrische Feld:
Merke: Ladungen sind von elektrischen Felder umgeben. In ihnen erfahren ruhende wie bewegte Probeladungen Feldkräfte tangential zu elektrischen Feldlinien. Positive Probeladungen erfahren Kräfte in Richtung der Feldlinien, negative ihnen entgegen.
Feldformen:
Feld zwischen 2 entgegengesetzt geladenen Kugeln
Radiales Feld → Feldlinien von positiv geladenen Scheiben sternförmig zu einem Ring mit negativen Ladungen
Homogenes Feld → Feldlinien verlaufen senkrecht zu den Platten und zueinander parallel
c) Homogenes Feld
a) Feld zwischen 2 entgegengesetzt geladenen Kugeln
b) Radiale Feld
Versuch: Influenzmaschine, Glühlampe
Ladungen:
Eigenschaften:
Negative Ladungen heißen Elektronen. Elektronen sind im Metall relativ frei beweglich
Positive Ladungen sind fest mit dem Material verbunden
gleichnamige Ladungen stoßen sich ab
ungleichnamige Ladungen ziehen sich an
Ladungseinheit:
1 Coulomb (1C), diese Einheit ergänzt in der E-Lehre die Basiseinheit 1kg, 1s, 1m.
Feldlinienmodell:
Feldlinien beginnen bei einer positiven Ladung und enden bei einer negativen Ladung
Feldlinien versuchen, so kurz wie möglich zu sein
Feldlinien schneiden sich nicht
Feldlinien stehen auf Metallen senkrecht
Feldlinien verdrängen sich gegenseitig
Die Stärke des Elektrischen Feldes wird durch die Dichte der Feldlinien symbolisiert
Experiment zum E-Feld
Versuch 1:
Aufbau:
Geg.:
L: Länge des Aufhängefadens; (L=2,00m)
s: Ausdehnung aus der Lage ohne Ladung auf den Plättchen; ()
d: Plattenabstand; ()
Q: Ladungsmenge auf den Plättchen; ()
U: Spannung an den Platten; ()
mP: Masse des Plättchens ()
FG,P =
Durchführung/Beobachtung:
Kondensatorplatten werden geladenen → eine Platte positiv und die andere negativ
Das Plättchen wird an der positiven Platte aufgeladen; das Plättchen hängt bifilar zwischen den Platten
Das Plättchen schwenkt zu der negativen geladenen Seite → strebt nach Elektronenausgleich
Dieser Ausschlag bleibt erhalten, auch wenn man die Platten verschiebt
Beschreibung:
Es gibt eine Ausdehnung, da dass Plättchen positiv geladen ist und somit einen Elektronenmangel haben. Es strebt nach Elektronenausgleich, deswegen schlägt es in die Richtung der negativ geladenen Platte aus.
Dieser Ausschlag bleibt erhalten, auch wenn man die Kondensatorplatten verschiebt, da das E-Feld homogen ist und somit die wirkende Kraft überall gleich ist.
Versuch 2:
Aufbau: wie bei Versuch 1; nur das ein 2. Plättchen gebraucht wird
Durchführung/Beobachtung:
- 4. wie bei Versuch 1
5. Ein zweites Plättchen wird genommen und es mit dem positiv geladenen Plättchen zur Berührung gebracht → Ausschlag halbiert sich
6. Bei jeder Berührung der Plättchen halbiert sich die elektrische Probeladung
Beschreibung:
Der Ausschlag, der positiv geladenen Plättchens, geht bei der Berührung um die Hälfte zurück, weil sich die Probeladung gleichmäßig zwischen den beiden Plättchen aufteilt. Nach der Berührung ist nur noch die Hälfte an Ladung vorhanden, die am Anfang vorhanden war
Folgerung:
Bei beiden Versuchen muss dies gelten, wenn qp die Ladung auf dem Plättchen angibt und qp= Q+ ist
Dann gelten:
Denn: Würde dies nicht gelten, würde ein neues E-Feld entstehen, welches die Messung stören würde
Dabei heißt qp Probeladung, mit der wir das E-Feld „probieren“, d.h. auszumessen.
Berechnung der elektrischen Feldstärke E und der elektrischen Feldkraft Fel:
← Strahlensatz =
←Nur für homogene Felder
Elektrische Spannung U:
Einheit: [U]=1 J/C = 1V (Volt) → U=W/q
Elektrischer Strom I:
ist die Verschiebung von elektrischer Ladung durch gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Im verallgemeinerten Sinn bezieht sich elektrischer Strom auch auf den Verschiebungsstrom, bei dem sich keine Ladungsträger bewegen, sondern sich der elektrische Fluss verändert
Einheit: [I]= 1C/s = 1A → I=Q/t
Elektrische Feldstärke E:
Die elektrische Feldstärke ist (eine gerichtete Größe) ein Vektor, der in die Richtung der Kraft auf eine elektrische Probeladung wirkt.
Einheit: [E]= 1 N/C → E=F/Q
Feldstärke: Die Kraft, die auf Plättchen wirkt
Feldkraft: Die Kraft, die an der Ladung wirkt
Experiment: Einschub:Wdh.: Spannungsbegriff
Versuchsaufbau:
Durchführung/Beschreibung:
Mit dem Ladegerät wird dieKondensatorplatte kurzfristig positiv aufgeladen. Nachdem man das Ladegerät wieder von der Platte trennt, wird die Platte entladen, dabei glimmt die Glimmlampe schwach.
Auswertung/Deutung:
Da die Platten einander anziehen, muss beim Auseinanderziehen Arbeit verrichtet werden, die dann als Energie (=gespeicherte Arbeit) den Elektronen zur Verfügung steht, wenn sie ihren Weg durch die Glimmlampe nehmen.
Um zu beschreiben, welche Energie den Elektronen zur Verfügung steht, wird die Größe "Spannung U" eingeführt, die als "Energie pro Ladung" festgelegt wird:
.
Experiment „Spannungsmessgerät mit Bunsenbrenner“
Versuchsaufbau 1 und 2:
Durchführung/Beschreibung (Versuch 1 und 2):
Die eine Kondensatorplatte wird mit 4kV aufgeladen und die andere Platte ist geerdet. Nach der Aufladung misst man die Spannung der Platten mit einem Messgerät und dies bestätigt nochmal die Angaben. Zwischen den Platten wird überall jedoch nur 1 kV gemessen
Die Spannung steigt konstant an, wenn man das Messgerät von der geerdeten Platte zu geladenen Platte bewegt bis sie wieder 4 kV beträgt.
Auswertung/Deutung:
Den Begriff „Potential“ mit dem einem Versuch erklären
Aufbau:
Beschreibung:
Der Punkt hat das Potential Arbeit zu verrichten
Die verrichtete Arbeit wird in elektrische Energie umgewandelt genauer in Lichtenergie.
Punkt 1 besitzt ein höheres Potential Arbeit zu verrichten als Punkt 2, da der Punkt 1 höher liegt als Punkt 2
Analogien zum Elektrischem - und Gravitationsfeld:
Wie der Punkt besitzt auch die Erde Potential Arbeit zu verrichten. Hier steckt das Potential im Gravitationsfeld.
Das E-Feld besitzt ebenfalls über Potential Arbeit zu verrichten. Elektrizität strömt vom hohen Potential zum niedrigen Potential. Die Differenz aus diesen beiden werten ist die sogenannte Spannung. Die elektrische Spannung ist die Kraft, die auf freie Elektronen wirkt.
Aufbau:
Durchführung/Beschreibung:
In den Zwischenraum der Kondensatorplatten wird Papier eingefüllt.
Dabei wird bei der Spannung von 200 V eine Ladungsmenge von 1,1 C aufgenommen.
Die Kapazität hat sich mehr als verdoppelt
Folgerung:
Erklärung:Warum steigt C, wenn das Netzgerät abgeklemmt ist und ein Dielektrikum eingeführt wird?
Kapazität wird größer, weil .
… das Dielektrikum im elektrische Feld, ein eigenes elektrisches Feld erhält, welches gegen das des Plattenkondensators gepolt ist und es schwächt
… die Ladungen durch Ausrichtung oder Verschiebung innerhalb des Dielektrikums polarisiert werden → es entstehen Dipole
… die elektrische Feldstärke E kleiner wird, da die Felder sich gegenseitig abschwächen. Mit der Feldstärke wird U ebenfalls kleiner, dagilt.
scheinbar verloren geht, verbleibt im Dielektrikum und sorgt für die Trennung der Ladungen.
Kapazität
Definition :
Veränderung der Kapazität:
Einfüllen von Dielektrika
Vergrößerung der Plattenfläche C~A
Veränderung des Plattenabstandes
Vergrößerung der Spannung zwischen den Platten
Flächendichte der Ladung:
Definition:
Die Flächenladungsdichte ϭ (Sigma) ist der Quotient
aus der Ladungsmenge Q und ist der Fläche A
ε0: elektrische Feldkonstante
[ε0]=
Energie eines geladenen Kondensators der Kapazität C:
Die wichtigsten Formeln für das Thema: