Kapitel 30 Das elektrische Feld

Maturafragen für Big Bang 7
Kapitel 30 Das elektrische Feld
Frage 65 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 7 Modelle und Konzepte und 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts
a Was versteht man in der Physik unter dem Begriff "Feld"? Was machen
gleichnamige bzw. ungleichnamige
Ladungen und wie kann man die Ladungen im Feldlinienbild erkennen?
Wieso haben manche Ladungen mehr
und andere weniger Feldlinien (siehe
Abb.)? Vervollständige die Abbildung!
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
W4 Auswirkungen erfassen
und beschreiben
b Sowohl bei der Gravitationskraft als auch bei der elektrischen Kraft tritt ein Faktor 1/r 2 auf. Begründe diesen Faktor
und verwende dabei die Abbildung.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
E4 Ergebnisse analysieren,
interpretieren und durch
Modelle abbilden
c Man nennt die Spannung auch den "elektrischen Höhenunterschied". Erkläre, was
damit gemeint ist und ordne die Abbildungen unten richtig zu.
(Quellen: Big Bang 7, ÖBV)
W2 Informationen entnehmen
W4 Auswirkungen erfassen
und beschreiben
A
B
1
2
Kommentare
65a: Wenn man jedem Punkt eines Raumes eine bestimmte Eigenschaft zuordnen kann (etwa eine
Temperatur oder eine Kraft), dann spricht man von einem Feld. Kraftfelder kann man durch Feldlinien darstellen. Sie zeigen Größe und Richtung der Gesamtkraft an jedem Ort an. Die elektrischen
Feldlinien führen per Definition von Plus zu Minus und geben die Kraftrichtung auf eine positive
Probeladung an.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
65b: Diesen Faktor kann man geometrisch erklären. Dazu umhüllt man in Gedanken eine Ladung
mit einer Kugel. Durch diese läuft eine bestimmte Anzahl von Feldlinien. Wenn man den Kugelradius verdoppelt, muss dieselbe Anzahl durch die Oberfläche laufen. Man kann nun folgende Zusammenhänge aufstellen: F E ~ Feldliniendichte = Feldlinienzahl/Kugeloberfläche. Weil die Feldlinienzahl immer konstant bleibt, gilt: F E ~
Feldliniendichte ~ 1/Kugeloberfläche ~1/(4πr 2). Man kann also sogar den Faktor 4π geometrisch ableiten. Die Ableitung beim Gravitationsgesetz verhält sich ganz ähnlich. Der Faktor 4π ist in der Gravitationskonstante G „versteckt“.
65c: Zwischen dem Gravitationsgesetz und dem Coulomb-Gesetz gibt es sehr viele Gemeinsamkeiten. Auch die gespeicherten Energien lassen sich gut vergleichen. Wenn man eine Masse im Gravitationsfeld der Erde hebt, muss man dazu Arbeit aufwenden. Diese Arbeit ist in
Form von potenzieller mechanischer Energie in der Masse gespeichert und kann später wieder freigesetzt werden. Ganz ähnlich ist das beim
elektrischen Feld. Wenn man eine negative Ladung gegen das elektrische Feld verschiebt, dann muss man Arbeit aufwenden. Diese Arbeit
ist dann in Form von potenzieller elektrischer Energie gespeichert und kann später wieder freigesetzt werden. Die richtige Zuordnung lautet
A2 und B1.
© Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2010. | www.oebv.at | Big Bang 6 | ISBN: 978-3-209-04868-4
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Maturafragen für Big Bang 7
Kapitel 30 Das elektrische Feld
Frage 66 passt zu den Poolthemen 5 Felder, 7 Modelle und Konzepte, 16 Physik des 18. und 19. Jahrhunderts, 18 Physik und Alltag, 21 Physik und Technik
W2 Informationen entnehmen
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
a Die Formel für die elektrische Kapazität
lautet C = Q/U. Interpretiere diese Gleichung mit Hilfe der Abbildung. Was bedeutet es, wenn ein Kondensator eine
größere Kapazität besitzt?
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
W2 Informationen entnehmen
W3 Vorgänge darstellen, erläutern und kommunizieren
b Warum kann man durch einen Isolator
zwischen den Platten die Kapazität erhöhen? Begründe mit Hilfe der Abbildung
und der Gleichung aus Frage a.
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
c Du hast eine positiv und eine negativ geladene
Platte und entlädst diese mit einem Funken (Abb.
a). Nun lädst du die Platten noch mal gleich stark
auf, ziehst sie aber vor dem Entladen auseinander
(b). Was passiert nun mit dem Funken und warum?
Was würde passieren, wenn man die Platten zueinander schiebt? Begründe mit der Formel E p = Q∙U.
E1 Beobachtungen machen
und beschreiben
E2 Fragen stellen und Vermutungen aufstellen
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
d Wie funktioniert eine Computertastatur?
Erkläre die Abbildung und beziehe Frage c in
deine Antwort mit ein.
E2 zu Vorgängen in der
Technik Vermutungen aufstellen
(Quelle: Big Bang 7, ÖBV)
Kommentare
66a: Das Feld zwischen den geladenen Platten ist mit Ausnahme des Randes homogen und die Feldlinien sind senkrecht zur Oberfläche.
Weil der Rand im Vergleich mit der Plattenfläche nicht ins Gewicht fällt, können wir ihn bei unserer Überlegung vernachlässigen. Wenn man
die Anzahl der Ladungen auf den Platten verdoppelt, dann verdoppelt sich die Anzahl der Feldlinien (b) und somit auch die Spannung. Der
Quotient von Ladung und Spannung ist also für einen bestimmten Kondensator immer gleich groß. Man nennt ihn die Kapazität des Kondensators. Eine größere elektrische Kapazität bedeutet, dass der Kondensator bei gleicher Spannung mehr Ladungen speichern kann.
66b: Durch die Polarisation des Isolators sinkt bei gleicher Ladung die Feldliniendichte ab und somit die Spannung zwischen den Platten. Um
die Platten wieder auf die selbe Spannung zu bringen, muss man weiter Ladungen auf die Platten bringen. Nachdem C ~ Q ist, ist bei gleichem U somit auch die Kapazität gestiegen.
66c: Beim Auseinanderziehen steigt die Spannung. Zum Auseinanderziehen benötigt man Energie, weil die Platten gegengleich geladen
sind. Diese Energie kann nicht verloren gehen, sondern sie steckt dann im elektrischen Feld. Weil sich die Ladung dabei nicht verändert,
muss sich die Spannung erhöhen, weil E p = Q∙U und somit U = E p/Q. Umgekehrt sinkt die Spannung aus demselben Grund, wenn
man die Platten aneinander schiebt.
66d: In einer Computertastatur befindet sich unter jeder Taste ein Kondensator. Die Platten sind auf zwei Kunststoffschichten quasi „aufgedruckt“. Der Abstand zur unteren Schichte und somit zur zweiten Platte wird durch den Tastendruck verringert und somit auch die Spannung des betreffenden Kondensators. So weiß der PC, welche Taste man gedrückt hat.
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