Elektrostatik
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. Elektrizität Eledrisch is pradisch: wann'st 'as oreibst brennt's ! Reibungselektrizität schon vor mehr als 2000 Jahren bei den Griechen bekannt: Reibt man Bernstein mit einem Tuch, zieht er danach Federn und Stofffäden an. Elektron = Altgriechisch für Bernstein durch Reibung sehr enge Berührung zweier Körper Materialien mit unterschiedlicher "Elektronegativität" tauschen Elektronen aus 17tes-19tes Jahrhundert: großes gesellschaftliches Interesse, hoher Unterhaltungswert für den Menschen nur schlecht wahrnehmbar Verunsicherung, Angst E. Riedle E2p 12.06.2007 S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Elektrisiermaschine von Winter (1920) Elektrisierender Kuss S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Elektrizität ab 19tem Jahrhundert von zentraler technischer Bedeutung: x umwandelbar in mechanische und thermische Energie, in Licht, Musik, "Information",... x gut zu transportieren x Ladungsfluss (Strom) gut zu steuern x vergleichsweise schlecht zu speichern x Grundlage der Elektronik und Informatik Energietransport, Umwandlung in mechanische Arbeit Industrialisierung Informationstransport und -verarbeitung Informationsgesellschaft Ohne Elektrizität geht nichts mehr ! S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . I. Elektrostatik Elektrostatik beschreibt ruhende elektrische Ladungen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Ladungen können "getrennt" werden. Ladungsnachweis zum Beispiel mit DrehzeigerElektrometer oder Faden -Elektroskop S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Es gibt positive und negative Ladungen. Unterscheidung durch Kraftwirkung aufeinander und Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld. o m m JJG F1 o JJG F2 m o Im Gegensatz zur Gravitationskraft anziehende und abstoßende Kräfte gleichnamige Ladungen stoßen sich ab entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an Ladungstrennung mit Energie verbunden, Gesamtladung normalerweise nahezu Null S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . - Ladungen sind immer an Masseteilchen gebunden - Elektronen und negative Ionen - Protonen und positive Ionen - dazu diverse Elementarteilchen Millikan-Versuch: alle Ladungen sind ganzzahlige Vielfache der Elementarladung Elementarladung: e 0 1,6022 10 19 As In abgeschlossenen Systemen bleibt Gesamtladung konstant, aber Trennung und Transport möglich! S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Ladungstransport: (a) mit einem "Ladungslöffel"; (b) durch eine leitende Verbindung zwischen entgegengesetzten Ladungen; (c) durch geladene Wassertropfen Strom = Ladung pro Zeit S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Coulomb-Gesetz Kraft zwischen zwei Ladungen Q 1 und Q 2 in Abhängigkeit vom Abstand r: Q1 G r̂ Q2 G F r Messung z. B. mit Coulombscher Drehwaage Sie bestimmt das von der Ladung Q 2 auf die Ladung Q 1 ausgeübte Drehmoment S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Coulomb-Gesetz: G F f Q 1 < Q 2 G r r2 G F in Newton, r in Meter o Konstante f oder Einheit der Ladung Q kann festgelegt werden. 1. SI-System: f 1 ; 4S H 0 G F 1 Q 1 < Q 2 G r 4SH o r2 Coulomb Gesetz > Q @ As C 2. CGS-System: f G F 1; Q 1 < Q 2 G r r2 > Q @ kg1 2 m 3 2 s 2 S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Vergleich: Coulomb-Gesetz und Gravitationsgesetz haben die gleiche Form! G m1<m 2 r2 Q1<Q 2 FG FC 4SH o <G m1<m 2 Q1<Q 2 4SH o r 2 Beispiele: 2 Bleikugeln / 10 kg / 10 C o FG FC 7,7 < 10 7 2 Elektronen o FG FC 2, 4 < 10 43 -6 Fazit: - Mikrophysik ist durch Coulomb-Kraft dominiert. - da negative und positive Ladungen existieren, ergibt sich makroskopisch Aufhebung (elektrisch neutral). - im Kosmos dominiert Graviatation. S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Elektrisches Feld Auf eine Ladung q wird durch eine zweite Ladung Q eine Coulomb-Kraft ausgeübt, die proportional zu q ist. G G G G G E elektrische Feldstärke: E r F r q G G F qE q unabhängig von q G Einheit: ª¬ E º¼ N As V m G G G G Q r r0 G E r G für Ladung Q am Ort r0 4S H 0 r Gr 3 0 Feldlinien: Tangente an Feldlinien gibt Richtung des Feldes an, Dichte der Linien Stärke des Feldes. Feldlinien gehen von plus aus und enden bei minus. Feldlinien einer positiven und einer negativen Punktladung S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . SI-Einheiten Ladung: > q @ Coulomb C As 1,6022 10 19 C Elementarladung des Elektrons: q e Ladungsdichte: > U @ Stromstärke: > I @ C m3 Ampere A Cs eigentlich fundamentale SI-Einheit: Durch zwei parallele unendlich lange Leiter mit vernachlässigbarem Querschnitt in Abstand 1 Meter fließt ein Strom von jeweils 1 Ampere, wenn sie sich mit 1 Newton pro 1 Meter Länge anziehen. Anschluss an Mechanik über Biot-Savart- und Lorentzgesetz G Stromdichte: ª¬ j º¼ A m 2 C m 2 s S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . x Elemente: mechanische Kraft; elektromagnetische Felder; Feldquellen: Ladungen und Ströme G G G x Verbindung zwischen mechanischer Kraft F und Feldern E , B : G G G G F q E v u B Lorentzkraft: G G G x Verbindung zwischen Feldern E , B und Feldquellen q , j : G G q r E Coulombgesetz: 4S H 0 r 3 G G u B P0 j Ampere'sches Gesetz: S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . Einheiten der Felder elektrisches Feld: G ª¬ E º¼ Definition: 1 Volt V magnetisches Feld: G ª¬ B ¼º Definition: 1 Tesla T Dielektrizitätskonstante: N C kg m A s3 Permeabilität des Vakuums: P 0 kg m 2 Nm C N A m H0 V m A s3 Vs m2 T Vs kg m2 A s2 8,854 10 12 4S 10 7 As Vm N A2 S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik . CGS-Einheiten Ladung: kg 1 2 m 3 2 s 1 Strom: kg 1 2 m 3 2 s 2 Stromdichte: kg 1 2 m 1 2 s 1 elektrisches Feld: kg 1 2 m 1 2 s 1 magnetisches Feld: kg 1 2 m 1 2 s 1 Felder haben gleiche Einheit ! In einem System alles ok. Problem ist das Umrechnen LMU S. Lochbrunner / E. Riedle Physik . Formelübersetzer: CGS x , SI y ; ersetze in SI-Formel y durch x für CGS CGS SI CGS SI c P 0 H 0 1 2 4S H 0 V V G E H0 H H G H 0 4S D G D P0 P P 4S H 0 U > q @ U> q@ R 4S H 0 R G P 0 4S B G B L 4S H 0 L P 0 4S G H 4S H 0 C C G 4S P 0 M G M G E G H 4S H 0 S. Lochbrunner / E. Riedle LMU Physik
