Physikprotokoll
Montag, 24. 09. 07
Datum:
24.09.2007
Zeit:
8.00 Uhr - 9.30 Uhr
Abwesende:
Die Klasse war vollzählig anwesend
Protokollant:
Ann-Kathrin Schuh
Thema: Das elektrisches Feld
Top 1)
Besprechung der Hausaufgaben ( Arbeitsblatt: Elektrisches Feld)
Top 2)
Gravitationsfeld
Top 3)
Analogie zwischen Gravitationsfeld und dem homogenem Feld.
Zu Top 1) Besprechung der Hausaufgaben
Nr. 1 In der Elektrostatistik sind es statische elektrische Felder, die in der Umgebung
elektrisch geladener Körper entstehen.
a) Beschreibe die Felder und nenne wesentliche Gemeinsamkeiten!
Radiales Feld:
-
Bei einem radialen Feld verlaufen die Feldlinien von einer positiven Quelle
sternförmig nach außen.
-
Quelle: Oberstufe Physik, Band 2, Cornelsen,
ISBN 3-464-034392
Seite 241, Bild 16, Inhomogenes Feld (Radialfeld)
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Montag, 24. 09. 07
Homogenes Feld:
-
Bei einem homogenen Feld verlaufen die Feldlinien parallel zwischen den zwei
Kondensatorplatten.
Quelle: Oberstufe Physik, Band 2, Cornelsen,
ISBN 3-464-034392
Seite 241, Bild 14, Homogenes Feld
Gemeinsamkeiten der Felder:
-
Feldlinien sind unverzweigt und kreuzen sich nie.
Feldlinien beginnen und enden immer senkrecht auf der Leiteroberfläche.
Sie enden (-) und beginnen (+) immer an elektrischen Ladungen.
Sie sind stetig.
Unterschiede der Felder:
-
Die Dichte der Feldlinien. (Bei einem homogenen Feld sind die Feldlinien immer
gleich dicht. Bei einem radialen Feld nimmt die Dichte mit der Entfernung ab)
-> siehe Zeichnung Bild 14 und Bild 16
-
Die Stärke der wirkenden Kräfte. (bei einem homogenen Feld ist die Stärke konstant,
da die Feldlinien überall im Feld die gleiche Dichte aufweisen. Im radialen Feld sind
die Feldlinien aber sternförmig, also nicht überall gleich dicht. Daher ist dort die
Stärke nicht überall identisch, sondern dort wo die Feldlinien dichter sind stärker, als
dort wo sie weiter auseinander sind.
b) Begründe warum die Feldlinien immer senkrecht auf den geladenen Körpern enden!
Die Feldlinien treffen auf die beweglichen Ladungen – Q1. Dadurch erfährt die
Ladung –Q1 eine schräg liegende Kraft F1. Die Komponente dieser Kraft (parallel zur
Oberfläche) verschiebt diese Ladung so lange bis ein elektrostatisches Gleichgewicht
hergestellt ist, also bis die senkrecht zu +Q ist.
Sie treffen also immer senkrecht auf den Körper, weil dann ein elektrostatistisches
Gleichgewicht besteht.
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Montag, 24. 09. 07
Quelle: Physik, Gymnasium Sek II, Schroedel, 12/13
ISBN 3-507-10722-8
Seite 11, Bild 4, Elektrostatisches Gleichgewicht
Nr.2
Ein zunächst neutraler Metallring wird in das homogene elektrische Feld eines
Kondensators gebracht. Begründe warum das Innere des Ringes feldfrei bleibt.
Die Feldkräfte ziehen die negative Influenzladung (-Q) auf die linke Ringseite. Genau
an diesen Ladungen enden die von links kommenden Feldlinien senkrecht. Es ist ein
elektrisches Feld entstanden. Auf der rechten Seite des Ringes sitzen die positiven
Influenzladungen (+Q). Von ihnen laufen die Feldlinien senkrecht auf die negativ
geladene Kondensatorplatte.
Die Ladungen auf der Oberfläche des elektrischen Leiters können also nur durch die
Influenz getrennt werden. Das macht auch deutlich, dass in dem Ring selber kein
elektrisches Feld entstehen kann. Die Ladungen die dort sind können nicht durch
Influenz auseinander gehalten werden. Bei einem entstehenden Stromfluss würden
sie sich sofort wieder ausgleichen. So ist man also auch zum Beispiel in einem Auto
sicher, während eines Gewitters.
B
Quelle: Physik, Gymnasium Sek II, Schroedel, 12/13
ISBN 3-507-10722-8
Seite 11, Bild 5, Das innere des Metallrings
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Nr.3
Das Innere eines Leiters enthält im elektrischen Gleichgewicht weder ein
elektrisches Feld noch überschüssige Ladung. Überschüssige Ladungen befinden
sich nur auf der Oberfläche eines Leiters.
a) Begründe die oben über elektrostatistische Felder getroffene Aussage!
In der Umgebung elektrisch geladener Körper entsteht ein elektrostatisches Feld.
Durch den Einfluss der elektrischen Feldkraft Fel verschieben sich die Ladungen auf
der Oberfläche des im elektrischen Feld befindlichen leitenden Körpers. Da die
elektrische Feldkraft nur auf die Ladungen auf der Oberfläche wirkt und deshalb die
im Inneren des Leiters unberücksichtigt bleiben, entsteht nur Außen ein elektrisches
Feld. Dies bezeichnet man als elektrische Influenz.
b) Der Leiter wird nun mit einer elektrischen Quelle verbunden. Welche Kräfte treiben die
im Leiter befindlichen Elektronen an?
Es sind die elektrischen Felder!
Die Idee mit dem heraus schubsen der Elektronen aus der 8.Klasse wird hier nun
unrealistisch. Denn ein einzelnes Elektron wäre viel zu langsam. Es muss also eine
Kraft wirken. Diese ist die elektrische Feldkraft.
Nr.4
Beschreibe den Begriff elektrische Influenz!
Influenz bedeutet eine Verschiebung der Ladungen in einem leitenden Körper, unter
dem Einfluss eines elektrostatischen Feldes.
a) Begründe warum ein neutrales mit einer Bronzeschicht überzogenes
Styrophorkügelchen im radialen Feld von einer positiven Kugel angezogen wird!
Das Styroporkügelchen ist durch die positive Kugel in einem radialen Feld und daher
wirkt die Influenz auf das Kügelchen. Diese Influenz bewirkt eine
Ladungsverschiebung innerhalb des Styroporkügelchens. Da die positive Kugel eben
positiv ist, verschiebt sich die Ladung nun so, dass sich die Elektronen zur positiven
Kugel hin verschieben, sodass auf der anderen Seite nur noch Protonen übrig bleiben.
Die Anziehungskraft der Elektronen zur positiven Kugel ist jetzt aber größer als die
abstoßende Kraft auf die der etwas weiter entfernten Protonen. Aus diesem Grund
wird das Kügelchen von der positiven Kugel angezogen.
Quelle: Oberstufe Physik, Band 2, Cornelsen,
ISBN 3-464-034392
Vergleiche Seite 241, Bild 18, Influenz
Die Verschiebung der Ladungen eines leitenden Körpers unter dem Einfluss eines
elektrischen Feldes nennt man elektrische Influenz.
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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b) Was versteht man unter elektrischer Polarisation.
Die Elektronen haben unterschiedliche Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in einem Atom.
Bei der Polarisation verschieben sich die Aufenthaltsbereiche der Elektronen.
Nr.5
Zwei gleiche Kugeln sind entgegengesetzt stark aufgeladen. In Richtung der die
beiden Ladungen „verbindenden“ Feldlinien herrscht ein Zug, quer zu den Feldlinien
ein Druck.
Erläutere:
-
Der Zug, der in Richtung der beiden „verbindenden“ Feldlinien herrscht, ist die
Anziehungskraft, welche zwischen den beiden Ladungsträgern besteht.
Q+
-
Anziehungskraft = Zug
Q-
Der Druck, der quer zu den Feldlinien herrscht, ist der Druck, der es möglich macht,
dass die Feldlinien sich niemals kreuzen können.
Q+
Druck
k
Faradays Ansicht dieses Phänomens:
Durch diese Frage kamen wir auf das Modell der Gummibänder von Faraday zu
sprechen. Er stellte die Feldlinien wie Gummibänder dar, die, wenn man sie
auseinander zieht, eine größere Spannung entwickeln würden. Jedoch analysierten
wir schnell, dass das so nicht exakt stimmt, da die Feldlinien nach seinem Modell bei
der Situation des Auseinanderziehens zwar straff und somit parallel zueinander sind,
jedoch bei Annähern der Senke und Quelle würden die Feldlinien nur noch schlaff
herunterhängen und damit nicht mehr orthogonal von der Quelle zur Senke
verlaufen. Dies ist jedoch nicht der Fall.
Als Veranschaulichung kann dieses Modell uns aber nützlich sein.
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Zu Top 2. Gravitationsfeld
Zuerst stellten wir uns die Frage, was ein Physiker mit dem elektrischen Feld gerne machen
würde.
Die Antwort: Er würde es gerne messen!
Rückblick 11. Klasse.
In der 11. Klasse haben wir die Anziehungskraft eines Körpers auf der Erde und auch auf dem
Mond berechnet.
Dazu benutzten wir den Ortsfaktor „g“. Diese Formeln waren dabei interessant gewesen:
-
G=m*g
g = G /m
Wir ermittelten, dass alle Körper gleich schnell fallen und schlossen darauf hin darauf, dass
„g“ konstant sein muss.
DOCH WIE IST ES WIRKLICH, WENN WIR ÜBER UNSEREN KLEINEN
MESSBEREICH HINAUS ERMITTELN???
G m
G m
mmm
mmm
g1
mmm
g2
g = konst..
Doch tatsächlich sind wir
in einem radialen Feld,
wenn man aus unserem
Bereich hinaus geht.
Unser Messbereich in
der 11.Klasse
In unserer Umgebung ist „g“ konstant.
Denn in unserem hier messbaren Bereich
sind wir in einem scheinbaren homogenen
Feld.
g 1 > g2
 sie sind nicht
konstant!
An diesem Schaubild kann man deutlich erkennen, dass in unserer nahen Umgebung ein
scheinbares homogenes Feld besteht. Wenn man jetzt jedoch weiter, wie zum Beispiel bis
zum Mond, berechnet, kann man erkennen, dass der Ortfaktor „g“ nicht mehr überall gleich
ist. Also nicht mehr konstant. Er ist nun unterschiedlich in Abhängigkeit des elektrischen
Feldes. Denn desto näher der Bereich der Erde ist desto größer ist der Ortsfaktor. Das heißt,
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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dass dort eine höhere Kraft wirken muss als weiter entfernt. „g“ gibt also die Stärke des
Feldes an. „G“ gibt die Größe der Kraft an, die auf die Masse wirkt. (die Größe der Kraft im
Gravitationsfeld hat den Unterschied, dass sie nur in eine Richtung zeigt, nämlich zur Erde
hin)
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph11/umwelt-technik/10_gravfeld/gravitationsf/gravfeld.htm
Um die Stärke des Feldes an einem Punkt zu berechnen ist nun folgende Formel wichtig:
g = G /m
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Zu Top 3. Analogie auf unser homogenes Feld!
Vermutung:
Wenn in dem kleinen Bereich an der Erde ein scheinbares homogenes Feld herrscht, dann
müsste die elektrische Feldstärke in unserem physikalischen homogenen Feld auch konstant
sein.
+
+
+
= Fel
-
+
-
E
E
-
+
-
Vermutung:
+
-
Fel / q = konstant
Ziel: Messung des elektrischen Feldes!!!
= elektrische Feldstärke
F –prop. zu q
Was muss man messen um „E“ also die elektrische Feldstärke zu berechnen?
Die Formel lautet:
Fel / q = E
lle
Um nun „E“ zu berechnen müssen wir „Fel“ und „q“ messen!
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
25.10.2007
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Mit Hilfe einer bestimmten Messanordnung, dem Piezokraftmesser, messen wir „Fel“ in
Abhängigkeit der Probeladung „q“.
Bei dieser Messung wird wie der Name schon sagt mit
Piezokristallen gemessen.
Wenn man den Abstand der Elektronen und Protonen in
dem Piezokristall verändert, entsteht eine Spannung, die
man mit dem Computer messen kann.
1.)Wir laden die Probeladung und hängen sie zwischen
zwei geladenen Kondensatorplatten.
2.)Der Computer misst nun F und q.
3.)Daraus wird nun ein Quotient gebildet und an einem
Graphen kann man erkennen, dass unsere Vermutung sich
bestätigt.
-> „F“ ist proportional zu „q“
Die elektrische Feldstärke ist konstant im homogenen Feld.
Fel / q = konstant.
Def: E = Fel /q
[E]=N/C
Ann-Kathrin Schuh,
Klasse 12 c
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