2 DIE ELEKTRISCHE FELDSTÄRKE (siehe Buch S. 18 -20)

2 DIE ELEKTRISCHE FELDSTÄRKE
(siehe Buch S. 18 -20)
Gesucht ist eine physikalische Größe, die sowohl proportional zur Kraft auf eine bestimmte
Probeladung ist, als auch unabhängig von der Probeladung ist.
V
Versuch zur Kraft auf einen geladenen Körper im homogenen elektrischen Feld
(Buch S.18/2.1)
Dabei untersuchen wir den Zusammenhang zwischen der Ladung Q eines Plättchens und der
dabei wirkenden Kraft F mithilfe einer Drehwaage, indem wir in das elektrische Feld eines
Plattenkondensators an einem isolierten Halter ein Metallplättchen bringen, das aufgeladen
werden kann.
Skizze:
Torsionswaage
-
+
Plattenkondensator
Metallplättchen
(siehe Buch S. 18/ B1)
ûû
Berührt man mit dem Plättchen eine der Platten, so wird es gleichnamig
aufgeladen und abgestoßen. Dabei ist F , die auf das Plättchen ausgeübt wird, proportional
zum Winkel α , um den der Torsionskopf gedreht werden muss, um die ursprüngliche Lage
des Plättchens wiederherzustellen.
Bei Berührung zweier gleicher, ungeladener Plättchen bei abgeschalteter Stromquelle und
entladenem Plattenkondensator, stellen wir fest, dass sich die Ladung des Plättchens halbiert
hat.
- Ladung wird halbiert
F halbiert sich
Resultat:
Fel ~ QP
F / Q = konstant
( also unabhängig von der Probeladung)
(F größer -> ganzer Quotient größer)
(Gleicher Versuch: Wir haben im Unterricht statt der Drehung des Torsionskopfes um den Winkel α die
Verschiebung eines Laserpunktes an der Wand betrachtet, indem wir an der Verlängerung des Plättchens einen
Spiegel und diesem gegenüber einen Laser angebracht haben, sodass der Laserpunkt auf die Wand
zurückprojektiert wird.)
Definition der elektrischen Feldstärke:
F
E=
N
Einheit:
[E]=
Q
Nm
=
C
J
=
Cm
VAs
=
Cm
V
=
Asm
m
Der Betrag der Feldstärke E ist im homogenen Feld eines Plattenkondensators an jeder Stelle
gleich groß und ihre Richtung senkrecht zu den Platten.
E
E
E
+
E
E
-
E
Das elektrische Feld im Inneren eines Plattenkondensators ist ein
homogenes Vektorfeld.
Analogiebetrachtung von elektrischer Feldstärke und Gravitationsfeldstärke (siehe Buch
s. 20/2.3)
+
1
4πε
·
Q · QP
r²
E =
1 ·
= 4πε
Q
r²
+
Q>0
E
F
QP
-
m · mp
G ·
r²
FGra
g =
=
m
G·m
●m
g
=
mp
r²
F
d.h. unabhängig von Qp bzw. mp
Sowohl bei der el. Feldstärke, als auch bei der Gravitationsfeldstärke erhält man eine von
Probeladung bzw. Probekörper unabhängige Größe, die allein die Stärke des Feldes an dieser
Stelle kennzeichnet. (-> gilt auch für inhomogene Felder)
Aufgaben S. 20/ 1-5
1. a) Dies liegt an der Influenz. Deswegen wäre bei eingeschaltetem Feld die Messung
falsch.
α = 12° F = 5,4·10-4N; Q=75nC; E=?
b) 10°-> F= 4,5·10-4N;
-4
E= F / Q = 5,4·10 N / 75·10-9C = 7200 NC-1 = 7,2 kNC-1
2. a) Q= 75nC; E= 7,2 kNC-1; F=?
E=F/Q => F= E· Q = 7200NC-1 · 7,5·10-9C = 5,4·10-4N = 0,54mN
b) Dann wird das Plättchen genau entgegengesetzt, also vom Minuspol abgestoßen
und vom Pluspol angezogen. Der Betrag der wirkenden Kraft bleibt jedoch gleich.
3.
Fel/Fgra =?
Fel=E·Q= 2,56·10-15N= 2,56fN
Fel/Fgra = 2,9·1014
Fgra=m·g= 8,9·10-30N
4. Q=4,0 nC; F=1,0mN; E=?; E=F/Q= 1,0·10-3N / 4,0·10-9C= 2,5·105NC-1
5.
Es ist negativ geladen, da sich gleichnamige Ladungen abstoßen und so das Plättchen
schweben kann. F= m· g = 5·10-5kg · 9,81Nkg-1= 4,905·10-4N
E=F/Q=> Q= F/E= 4,905·10-4N · 65·10³NC-1= 7,5·10-9C = 7,5 nC