K3 Coulombfeld Kondensator Lorentzkraft

2. KA
Physik LK 11/II
07.06.02
Name:...................
1) Eine Schaltung wird wie
abgebildet
aufgebaut,
wobei sich der Schalter
in Position 1 befindet:
(Bild bei Autor anfordern)
a) Erkläre möglichst präzise unter Verwendung der Fachbegriffe, was physikalisch passiert, wenn man den Schalter in Position 2 umlegt.
b) Zeichne in die Schaltskizze drei Messgeräte ein, mit denen du die Spannung am
Kondensator, die Spannung am Widerstand und die Stromstärke durch den
Widerstand messen kannst.
c) Stelle Gleichungen für die Stromstärke, die Spannungen und die Ladung auf
und leite daraus eine Differentialgleichung für die Ladung her.
d) Löse die Differentialgleichung für die Ladung schrittweise mit Hilfe einer
Tabelle für U0 = 10 V, C = 4 mF, R = 100 kΩ bis t = 400 s. Zum Zeitpunkt
t = 0s sei Q = 0 C . Als Zeitschritt verwende Δt = 100 s.
e) Welche Spannung hat man nach dieser Rechnung nach 400 s am Kondensator?
2) Zwischen zwei kreisförmige Kondensatorplatten mit Radius 15 cm und Abstand
2,5 cm wird eine Spannung von 25 kV angelegt.
a) Welche Feldstärke herrscht im Innern des Kondensators?
b) Wie groß ist die Flächenladungsdichte und die Ladung auf der Innenseite der
Kondensatorplatten?
c) Was beobachtet man, wenn man ein Kügelchen der Masse 1 g an einem langen
Faden in das Feld des Kondensators hängt und zufällig eine Seite berührt?
d) Wie lange braucht das Kügelchen, um nach der Berührung der einen Seite zur
anderen Seite zu pendeln, wenn es bei der ersten Berührung eine Ladung von
1,8 · 10 –9 C aufnimmt und man vom Luftwiderstand, von der Kraft durch den
Faden und der Influenz absieht?
e) Welche physikalischen Größen ändern sich, wenn man den Kondensator (ohne
Kügelchen) von der Spannungsquelle trennt und den Plattenabstand auf 7,5 cm
vergrößert?
3) Eine Kugel wird elektrisch aufgeladen und trägt danach eine Ladung von
Q = – 1,5 · 10 –6 C.
a) Welche Kraft wirkt auf ein Elektron, welches 45 cm vom Kugelmittelpunkt entfernt ist?
b) Welche Arbeit muss man verrichten, um das Elektron aus 45 cm Entfernung bis
auf 10 cm Entfernung anzunähern?
c) Berechne das Potential auf der Kugeloberfläche, wenn man das Potential im
Unendlichen null setzt.
d) In welchem Abstand vom Kugelmittelpunkt befindet sich die Äquipotentialfläche mit φ = 10 kV?
e) Welche Geschwindigkeit hat eine Elektron, das aus der Oberfläche der Kugel
austritt mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 104 m/s austritt und sich im
Vakuum bis zu einem Abstand von 2,5 m von der Kugel entfernt?
f) Im Feld der Kugel werden im Abstand von 1,8 m zwei sich berührende Platten
P1 und P2 mit der jeweiligen Fläche von 10 cm2 senkrecht zu den Feldlinien
auseinandergezogen.
i) Welche Ladung tragen die Platten P1 und P2 nach der Trennung?
ii) Welche Feldstärke herrscht zwischen den Platten, wenn man diese z.B. um
1 mm auseinandergezogen hat?
4)
a) Ein Elektronenstrahl wird wie in
der Skizze angegeben in ein
Magnetfeld gelenkt. Erläutere
und begründe, was mit dem
Strahl passiert.
b) In zwei parallelen Drähten fließt
elektrischer Strom, die Elektronen fließen in den angegebenen
Richtungen.
Begründe,
ob
zwischen den Drähten Kräfte
auftreten und in welche Richtung diese wirken!