1. Elektrostatik (Kräfte zur ruhenden Ladung) lap5/adm/Eig/LATEX/Vorl/PhysII/Scriptum/Kap1_1/kap1_1_a4.tex 1.1 Grundbegriffe u. Coulombsches Gesetz Vorbereitende Bemerkungen: ⃗) wurde untersucht; In Mechanik: Verhalten von Körper unter Kräften (F nächster Schritt: Ursache der Kräfte ? Körper aus Molekülen-Atomen-Kern+Hülle - Nukleonen-Quarks ...aufgebaut Grundsätzliche Fragen: Baustein der Materie? Kräfte zwischen den Bausteinen? Schon kennengelernt: Gravitation! Quelle und Objekt ist hier die Masse Grav. wirkt durch den Raum: d.h. m 1 in ⃗r 1 hat Einfluß auf m 2 in ⃗r 2 : Raum in ⃗r 2 durch m 1 verändert (Feld) ’leerer Raum’ kann Fernwirkung schwer übermitteln. (Feld=von Kraftwirkung erfüllter Raum) moderne Ansicht: Feldquanten übermitteln Wirkung ⇒ Bisher bekannte Kräfte: ∙ Gravitation ∙ Elektr.-schwache WW. Quelle/Obj. Feldquant Masse Gravitation (hypothet.) (=elektr + magn. +schw.) elmag. Anteil ∙ schwacher Anteil (radioakt. Zerfall ) ∙ Q el. Ladung Photon schwache L. Z o , W+ , W− Farbladung Gluon (8 versch.) Starke WW Kernkräfte Grundbegriffe: Zur elektr. Ladung Q: im Gegensatz zur Masse: Q kommt frei nur als ganzzahliges Vielfaches einer Elementarladung vor ∙ 2 Werte möglich: +/-, kompensieren sich gegenseitig. ∙ Bewegte Ladung = Strom: Neben elektrostatischen Kräfte treten bei bewegten Ladungen (= Ströme) magnetische Kräfte auf. I = Qt I...über Kraft-Wirkung def: Einheit des Stromes, 1 Ampere, lliegt dann vor, wenn sich 2 von diesem Strom durchflossene Leiter (pro Meter) in einem m Abstand voneinander mit einer Kraft von 2.10 −7 N/m anziehen (später genauer). Kohärent definierte Einheit der Ladung daher: [Q]=1.A.1.s = 1 Coulomb, die Elementarladung beträgt e = 1, 6.10 −19 C ∙ In einem abgeschlossenem System gilt für Q ges ein Erhaltungssatz . ∙ ⇒ Coulomb’sches Gesetz: F zwischen Q : empirisches Resultat: Ganz analog zum Gravitationsgesetz. Ladung als Quelle des elmag. Feldes (d.h. als Ursache der Kraftwirkung auf andere Ladung) tritt an Stelle der Massen, Kraft nimmt wieder mit r12 ab. Für punktförmige Ladungen daher: F = const. Q1Q2 r2 ⃗ = const. F Q1Q2 ⃗ Q Q e r = const. 1 3 2 ⃗r r2 r Diese Gleichung beschreibt also die Kraft F von Q 1 auf Q 2 , für die Konstante wird die Form 1 const = 4πε gewählt, damit ergibt sich nämlich im Nenner der Ausdruck 4πr 2 , der besonders 0 für Betrachtungen in Polarkoordinaten sehr vorteilhaft ist. Der Wert der Größe ε 0 (”Feldkonstante, Influenzkonstante”) ist dann experimentell zu bestimmen und beträgt c ε 0 = 8, 85.10 −12 [ Vm ]., die Dimension im SI-System ist dann: 2 Q q Q A 2 sec 4 C [ε 0 ] = [ Fr 2 ] = = F[Q] = [ E.r.r = [ U.r ] = Vm 3 .r.r kg m Q 1 Q1Q2 4πε 0 r 2 F auf Q 2 durch Q 1 wirkt entlang der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Ladungen: ’Zentralkraft’. Wenn versch. Vorzeichen, abstoßend, , wenn gleiche Vorzeichen: anziehend. F= 1.2 Elektrische . Feldstärke u. Potentialdifferenz, Spannung: andere Betrachtungsweise: in Raum (Feld = von Kraftwirkung erfüllter Raum). Maß für Wirkung des Feldes: Kraft auf Ladung Q 2 . Q 2 spürt das von Q 1 erzeugte Feld. ⃗ eingeführt: Es wird der Begriff der Feldstärke E ∙ ⃗ F ⃗ (r⃗) =: E Q2 ∗) ⃗=E ⃗ ⋅ Q2 F 1 Q 4πε 0 r 2 als f(r⃗) el. Eigenschaft des Raumes, wenn Q 1 sich in ⃗r = 0 befindet E= beschreibt ⃗ F Q2 ⃗ ∥ ⃗r, daher wegen *) auch E ⃗ ∥ ⃗r Es war: Richtung von F ⃗ E wirkt In Richtung des Punktes ⃗r = 0, also auf die Quellenladung zu (Anziehung), wenn ( ∣QQ 11 ∣ + ∣QQ 22 ∣ = 0) d.h für entgegengesetztes Vorzeichen, bei gleichen Vorzeichen der beiden Ladungen erfolgt Abstoßung ⃗ hat Betrag und Richtung wie die Kraft F, die auf eine positive Einheitsladung wirkt. E ∙ Veranschaulichung von E: durch Feldlinien: ⃗ : Ist ein ortsabhänginger Vektor: daher wäre für jeden Punkt im Probleme bei der Darstellung von E Raum die Angabe von drei Größen erforderlich. Alternative: Feldlinien! ⃗ hat Richtung der Tangente an die Feldlinien. a) Lassen Richtung der F im Raum erkennen: F Kugelsym. Feld einer ruhenden Punktladung: Stärke hängt von Stärke der Ladung Q ab; ⇒ b) Stärke des Feldes durch Dichte der Linien gekennzeichnet. r2 E(r ) N 1 ⃗ | ∼ N z.B. E 1 = N |E E 2 ∼ 4πr , E(r 12 ) = N/A = r 22 2 N/A 2 A 4πr 2 1 2 1 Potential ⃗ (r⃗) durch eine Einführung der Größe des Potentials V(r⃗) ermöglicht Darstellung des Vektors E skalare Größe. ⃗ wichtige, anschauliche, aber unhandliche Größe, da Vektor (3 Komp.) Idee wie zuvor: E ⃗ und potentieller Energie W pot veranschaulicht: Ausweg über Potential: an F Wird zu jedem Punkt im Raum die potentielle Energie W pot (r⃗) angegeben, dann ist Änderung der ⃗: skalaren Größe W pot ein Maß für die wirkende Kraft F ⃗ z.B. für F = const : △W pot ⃗r = −F ⋅ △⃗ r = −F ⋅ △r ⋅ ⃗e F ⋅ ⃗e r = −F ⋅ △r ⋅ cos α cosα Für α = π, also cos α = −1 ist daher △W pot = F ⋅ △r, beschreibt also die Zunahme der potentiellen Energie, wenn ein Weg gegen eine wirkende Kraft zurückgelgt wird. Ist bei gegebenem Weg △r diese Zunahme groß, so bedeutet das, daß die Kraftkomponente in Richtung dieses Weges groß sein muß. Diese Überlegung gilt für jede Richtung, also auch für jede Komponente: ⃗ r ⋅ △⃗r = −F x △x − F y △y − F z △z = − F x △x i daher ist also auch F x = − △Wpot , △W pot = −F i i △x i ⃗ ⃗ ⃗ Ist die Kraft F ortsabhängig: F = F(r), dann gilt analog für ein infinitesimales Wegelement dr⃗: ⃗ ⋅ dr⃗ = −F ⋅ ⃗e F ⋅ dr ⋅ ⃗e r = −F ⋅ dr ⋅ ⃗e F ⃗e r = −F ⋅ dr ⋅ cos α dW pot = −F Und wieder gilt z.B. bei ⃗e F ⃗e r = cos α = −1,: dW pot = F ⋅ dr, ist die Kraft dem gewählten Weg entgegengerichtet, ist die Änderung der potentiellen Energie dW pot also positiv (W pot nimmt dabei zu) ∑ Elektrisches Feld einer Punktladung: ⃗ = Q 1 Q 2 ⃗e r .. Kraft von Q 1 , die sich in in ⃗r = 0 befindet, auf Q 2 (r⃗) F 4πε 0 r 2 wenn, Q 1 > 0, Q 2 > 0: F in Richtung von ⃗e r , also.abstoßend! Da Feld der Punktladung richtungsabhängig ist (radialsym. Anordnung, unabhängig vom gewählten ⃗e r ): Q1Q2 = rC2 F r = F(r) = 4πε 2 0r ∙ Verschieben von Q 2 um △⃗ r = ⃗r 2 − ⃗r 1 , △r = r 2 − r 1 : dW pot = −Fdr r 2 Q1Q2 mit c = 4πε 0 ist dann △W pot = − r 2 F(r)dr = −c 1 r12 dr = 1 = −c(− 1r ∣ 21 = cr ∣ 21 = c( r12 − r11 ) 1Q2 1 z.B. r 1 = ∞, r 2 = r : △W pot = cr = Q4πε 0 r Probe: dW 1Q2 1 F (r) = − drpot = −c drd ( 1r ) = −c(− r12 ) = rc2 = Q4πε 0 r2 ∫ ∫ ⃗(r) = F(r)e⃗r kann aus den skalaren Feld W(r⃗) ausgerechnet werden! Vektor F ⃗(r⃗) dr⃗ : dV = −E ⃗ (r) dr⃗ .. ∆V (= U)...Potentialdiffferenz zwischen Üblich: Analog zu dW pot = −F zwei Punkten, ”Spannung”. Dann ist also dW pot = Q ⋅ dV ⃗dr⃗ durch ∣ ⋅ 1 aus dW pot = −F Q dWp Q ⇒E ⃗ = dV = − QF r =− dV(r⃗) dr ⋅ dr⃗ = −E⃗ ⋅ dr⃗ = −E ⋅ dr ⋅ cos α = E r ⋅ dr gilt für jede Richtung: ∂V(r⃗) ∂x i Da das Feld einer Punktldung radialsymmetrisch ist, rechnet man in diesem Fall am besten in Polarkoordinaten, E hat dann nur eine radiale Komponente. [Allgemein gilt also: E x = − ∂V , E y = − ∂V , E z = − ∂V ∂x ∂y ∂z ⃗ = −( ∂V ⃗e x + ∂V ⃗e y + ∂V ⃗e z ) E ∂x ∂y ∂z E xi = − (Zeichen der partiellen Ableitung ∂ gibt an, daß V(x,y,z) jeweils nur nach einer dieser Variablen abgeleitet wird.) Formal: ⃗ = E x⃗e x + E y⃗e y + E z⃗e z = − ∂V ⃗e x − ∂V ⃗e y − ∂V ⃗e z ... E ∂x ∂y ∂z kann geschrieben werden als:”Gradient von V” ⃗ = −∇ ⃗ V(r⃗) E ⃗ ” einführt, der z.B. in kartesischen Kooerdinaten folgende wenn man den Vektor-Operator ” ∇ Gestalt hat: ⃗ := ∂ ⃗e x + ∂ ⃗e y + ∂ ⃗e z ∇ ∂x ∂y ∂z ⃗ ”NABLA-Operator”; Differentialoperator, (Nabla: Griechisches Saiteninstrument)] ∇