Experimentalphysik II Probeklausur

KW 28/2015
Prof. Dr. R. Reifarth, Dr. J. Glorius
Experimentalphysik II
Probeklausur
Aufgabe 1: Coulomb-Kraft
Zwei kleine, geladenen Kugeln befinden sich im Vakuum. Die Kugel an Position x1 trage die Ladung Q1 ,
die Kugel an Postion x2 trage die Ladung Q2 . Ein Elektron befinde sich auf der Verbindungsachse der
Kugeln bei x, wobei x1 < x < x2 .
a) Bestimmen Sie die resultierende Coulomb-Kraft FC (x) auf das Elektron in Abhängigkeit von seiner
Position x.
b) Berechnen Sie die Kraft FC (x) für die Zahlenwerte Q1 = 1 C, Q2 = 5 C, x1 = 0 cm, x2 = 10 cm
sowie x = 2 cm. In Richtung welcher Kugel wird das Elektron sich bewegen?
c) Welche Arbeit wird am elektrischen Feld verrichtet, wenn das Elektron von xStart = 2 cm zu xZiel =
6 cm verschoben wird?
Aufgabe 2: Plattenkondensator
Eine kleine Kugel der Masse m = 0.5 g und der Ladung q = 2 nC sei im
homogenen Feld eines Plattenkondensators an einem Faden aufgehängt. Am
Kondensator liege eine Spannung von U = 100 kV an, die Platten haben jeweils
einen Radius von r = 23 cm, die Kapazität des Kondensators sei C = 5 pF.
Berechnen Sie den Auslenkwinkel α des Pendels. Nehmen Sie dazu an, dass
der Faden masselos sei und die Kugel den Kondensator nie berührt.
Aufgabe 3: Satz von Gauß
Verwenden Sie den Satz von Gauß, um zunächst das elektrische Feld E(r) im
Inneren (R1 < r < R2 ) eines Zylinderkondensators zu bestimmen. Leiten Sie
daraus sodann eine Formel für die Kapazität des Kondensators ab. Der Kondensator habe die Länge L,
sowie Innenradius R1 und Aussenradius R2 .
Aufgabe 4: Magnetisches Moment
Eine kurze Spule (eine Windung) mit Radius r = 5 cm befinde sich im homogenen Feld B = 50 mT eines
Permanentmagneten. Die Spulenachse sei senkrecht zu den magnetische Feldlinien des Permanentmagneten ausgerichtet. Der Spulendraht bestehe aus Kupfer und habe einen Durchmesser von d = 1 mm. Wie
groß ist das Drehmoment M , welches auf die Spule wirkt, wenn eine Spannung von 12 V anliegt?
Spezifischer Widerstand von Kupfer: ρCu = 1.7 · 10−2 Ω mm
m
2
Aufgabe 5: Induktivität
Eine reale Spule der Induktivität L = 1 H mit Innenwiderstand Rs = 60 Ω wird an eine Batterie der
Spannung UB = 12 V angeschlossen. Leiten Sie den zeitlichen Verlauf des Stromes I sowie der Feldenergie
WF nach dem Anschließen der Batterie her. Berechnen Sie auch die Maximalwerte Imax und WF,max .
Aufgabe 6: Wechselstrom
Das gezeigte Schaltbild entpricht einem Frequenzfilter.
a) Leiten Sie das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung |Uaus |/|Uein | in Abhängigkeit von
der Kreisfrequenz ω her und betrachten Sie die Grenzfälle ω → 0 und ω → ∞.
b) Erläutern Sie kurz die Eigenschaften von Hoch- und Tiefpass. Worum handelt es sich im vorliegenden Fall? Begründen Sie ihre Aussage.
Konstanten:
e = 1.602 · 10−19 C
C2
0 = 8.854 · 10−12 N·m
2
g = 9.81 sm2