Elektrizitätslehre - Universität Hamburg
Werbung
Borexino Experiment (Gran Sasso, Italien) Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee 149 22761 Hamburg Email: [email protected] Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: 040 8998 2297 Webseite: http://neutrino.desy.de/lehre/ Sprechstunden: nach Vereinbarung (email) OPERA Experiment (Neutrinooszillationen) am Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 1 Programm: Elektrizität und Magnetismus Optik Atom- und Kernphysik Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 2 Struktur der Materie Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 3 Das heutige Bild vom Aufbau eines Atoms Größe < 10-18m Kern p Größe ≈ 10-14m Größe < 10-18m n n p Größe ≈ 10-15m Größe ≈ 10-10m Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 4 Reibungselektrizität Altgriechisch: ἤλεκτρον = Bernstein Versuch: „Erzeugung“ von elektrischer Ladung durch Reibung (Genauer: Die Reibung trennt positive und negative Ladungen) 1. Fell und Hartgummistab Elektronen fließen vom Fell auf den Kunststoffstab. Kunststoffstab ist negativ geladen. - 2. Seidentuch und Glasstab Elektronen fließen vom Glasstab auf das Seidentuch. Glastab ist positiv geladen. + - - + Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 5 Elektrische Leiter: z.B. Elektronen in Metallen, Ionen in Flüssigkeiten Wie sind die Ladungen in einem Metall verteilt? Nichtleiter = Isolatoren: z.B. Glas, Gummi, Kunststoffe Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 6 Influenz Metallkugel (neutral) Plastikstab (geladen) Beim Annähern des Stabes werden die Ladungen im Metall getrennt. Auf der einen Seite befinden sich die positiven, auf der anderen die negativen Ladungen. Man bezeichnet die so entstandenen Ladungen als Influenzladungen. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 7 Versuch: Messung der elektrischen Ladung mit Elektrometer Ein geladener Stab nähert sich dem Elektroskop und berührt die obere Metallplatte. Vom Stab fließen Ladungen auf das Elektroskop. Die Ladungen verteilen sich auf den Oberflächen der Metallteile. Da sich gleiche Ladungen abstoßen schlägt der Zeiger aus. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 8 Becherelektroskope: Ladung kann zwischen beiden Elektroskopen transportiert werden Ausschlag bei aufgebrachter Ladung Ausschlag ohne Ladung Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 9 Einheit der elektrischen Ladung: Die kleinste Einheit der elektrischen Ladung ist die sogenannte Elementarladung e Alle freien Ladungen die man jemals in Experimenten beobachtet hat, waren Vielfache dieser Ladung! Ladung des Protons: qp = +1e Ladung des Neutrons: qn = 0 Ladung des Elektrons: qe = -1e Achtung:Die Quarks haben entweder q = -1/3e oder q = +2/3e, sie kommen aber nie einzeln vor, sondern nur in solchen Kombinationen die ganzzahliges Vielfaches von e ergeben! Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 10 Versuch: Van de Graaff Generator Vorrichtung die durch Reibung positive und negative Ladungen trennt. Eine Elektrode wird stark aufgeladen. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 11 Versuch: Van de Graaff Generator Hier wird die Ladung aufgebracht Band Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 12 Coulomb-Gesetz: Kraft F, die Ladung 1 auf die Ladung 2 ausübt: Wichtig! | F12 | = | F21 | Richtung von F: entlang der Verbindungslinie zwischen den Ladungen F<0 F>0 anziehende Kraft abstoßende Kraft Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 13 Das elektrische Feld Eine Ladungsverteilung erzeugt um sich ein elektrisches Feld (An jedem Punkt um eine Ladungsverteilung herrscht ein elektrisches Feld.) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 14 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner + + - - Grieskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine Dipole werden, richten sie sich entlang der Feldlinien aus (Die Spannung zwischen + und – beträgt hier 10000V). + - Schematische Darstellung der el. Feldlinien zwischen zwei gleichgroßen, entgegengesetzten Ladungen Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 15 Visualisierung des elektrischen Feldes durch Feldlinien Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 16 Regeln zur Bestimmung von Feldlinien: 1.) Elektrische Feldlinien beginnen bei „+“ und enden bei „-“. 2.) Elektrische Feldlinien schneiden sich nie. 3.) Elektrische Feldlinien stehen senkrecht auf Metalloberflächen. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 17 Wiederholung: Elektrische Ladung: Einheit 1 Coulomb = 1 C (= 1 As) Elementarladung e = 1.6·10-19C Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen: r ' Q1 ⋅ Q2 r F= f ⋅ ⋅ er 2 r Nm 2 f = 8.99 ⋅ 10 C2 ' 9 Elektrische Feldstärke: r r F E= q und r r F = q⋅E Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 18 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld - + - + - + + 2. Die Platten werden auseinanderbewegt. -> Der Dipol beginnt sich zu drehen, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt (und umgekehrt). 3. Die Hochspannung wird umgepolt. -> Der Dipol dreht sich wieder, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt (und umgekehrt). - Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 19 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld +Q -Q Elektrischer Dipol (hier: 2 Metallkugeln, mit entgegengesetzter Ladung) 1. Hochspannung wird an die beiden Platten eines Plattenkondensators angelegt. (+3000V linke Platte, -3000V rechte Platte). Der Dipol berührt beide Platten und wird aufgeladen. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 20 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Zwei parallele gerade Metallplatten Zwischen zwei Platten herrscht ein homogenes elektrisches Feld. (d.h. Feld ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche Richtung). Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 21 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Ungeladener Metallring zwischen zwei parallelen, unterschiedlich geladenen Metallplatten. + + + - - Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 - Kein Feld in Inneren des Metallrings! Der Ring wirkt als Faraday-Käfig und schirmt das elektrische Feld ab. Caren Hagner Elektrostatik 22 Beispiel: Auto oder Flugzeug wirken im Gewitter als Faradayscher Käfig. Problem: Immer mehr Teile von Auto und Flugzeug werden aus Kunststoff gefertigt. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 23 Im Inneren eines Faraday Käfigs gibt es kein elektrisches Feld (z.B. Schutz vor Blitz, aber auch allgemein zur Abschirmung elektrischer Felder) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 24 Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Boston Science Museum Elektrostatik Caren Hagner 25 Arbeit im elektrischen Feld Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 26 Arbeit und Spannung Zusammenhang zwischen E und U im homogenen Feld (Plattenkondensator) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 27 Kondensatoren: Speichern Ladung (und elektrische Energie) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 28 Kondensator und Kapazität d U Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 29 Versuch: Plattenkondensator mit Dielektrikum Messung der Ladung Dielektrikum (hier: Plexiglas) Spannungsversorgung Die Spannung wird konstant gehalten. Beim Einschieben des Dielektrikums nimmt die Ladung auf den Platten zu. -> Die Kapazität des Kondensators nimmt zu! Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 30 Kondensator (mit Dielektrikum): Q C= U Kapazität: +Q -Q Einheit 1 Farad, 1 F = 1 C/V Kapazität eines Plattenkondensators: A C = ε 0ε ⋅ d Fläche A ε Dielektrizitätskonstante ε (Permittivität): d U Vakuum Luft Plexiglas Glas Wasser Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 1 1.00059 3.40 5-10 80 Caren Hagner Elektrostatik 31 Elektrischer Strom Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 32 Wiederholung: Stromstärke: ∆Q I= ∆t Einheit 1 Ampere, C = A·s Versuch zur Stromwirkung: “Leuchtende Gurke” Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 33 Stromwirkungen: Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 34 Elektrischer Widerstand Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 35 Standard Widerstände: Verstellbare Widerstände (Potentiometer) Aber auch dies sind Widerstände: E-Herd Lampen Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 El. Heizofen Caren Hagner Elektrostatik 36 Menschlicher Körper als Leiter für elektrischen Strom? Stromwirkung, Gefahr für den Organismus durch elektrischen Strom: Besonders gefährlich: 50 Hz Wechselstrom aus Steckdose Höhere Frequenz ist weniger gefährlich (Reizleitung über Stofftransport zu langsam) Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 37 Grenze für Dauer t des Elektroschocks mit Strom Imax bei der gerade noch kein Herzflimmern auftritt: I max 0.116 1/ 2 = As t Beispiel: Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 38 Stromarbeit und Elektrische Leistung Die Ladung ∆Q fließt in der Zeit ∆t durch das Material, dazu ist Arbeit nötig: Wohin geht die Energie? Erwärmt den Stromleiter Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 39 Elektrische Netzwerke Kirchhoffsche Regeln: 1.) In einem Knotenpunkt eines Netzwerkes ist die Summe der einfließenden Ströme gleich der Summe der ausfließenden Ströme. 2.) Die Summe aller Quellenspannungen und Spannungsabfälle längs einer beliebigen, geschlossenen Schleife (Masche) eines Netzwerkes ist gleich Null. Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 40 Serienschaltung (Hintereinanderschaltung) von Widerständen U R1 U R2 Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 R = R1+R2 Caren Hagner Elektrostatik 41 Parallelschaltung von Widerständen R1 R1R2 R= R1 + R2 R2 U Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 U Caren Hagner Elektrostatik 42 Beispiel zur Berechnung des Gesamtwiderstands eines Netzwerkes: 2.Schritt 1.Schritt Experimentalphysik I/II für Zahnmedizin und Biologie: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Elektrostatik 43 Beispiel für Netzwerk aus Spannungsquellen und Widerständen: Zitteraal (Electrophorus electricus) • Wie erzeugt ein Zitteraal im Wasser einen Strom von ca. 1A um Beute zu erlegen? • Warum stirbt er selbst nicht daran? Alexander von Humboldt (Südamerika-Expedition Anfang des 19. Jahrhunderts): "Die Furcht vor den Schlägen des Zitteraals ist im Volke so übertrieben, dass wir in den ersten drei Tagen keinen bekommen konnten. Unsere Führer brachten Pferde und Maultiere und jagten sie ins Wasser. Ehe fünf Minuten vergingen, waren zwei Pferde ertrunken. Der 1,6 Meter lange Aal drängt sich dem Pferde an den Bauch und gibt ihm einen Schlag. Aber allmählich nimmt die Hitze des ungleichen Kampfes ab, und die erschöpften Aale zerstreuen sich. In wenigen Minuten hatten wir fünf große Aale. Nachdem wir vier Stunden lang an ihnen experimentiert hatten, empfanden wir bis zum anderen Tage Muskelschwäche, Schmerz in den Gelenken, allgemeine Übelkeit." Beispiel für Netzwerk aus Spannungsquellen und Widerständen: Zitteraal Spannungszelle (Elektroplax): ε = 0.15V r = 0.25Ω 5000 Spannungszellen/Reihe 140 Reihen Rwasser = 800Ω Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 45 Auf- und Entladen von Kondensatoren a) Ladevorgang Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 46 Auf- und Entladen von Kondensatoren b) Entladevorgang Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 47 Versuch: Entladen von Kondensatoren über Alubrücke 1.) Zunächst werden die Kondensatoren über die Spannungsquelle langsam aufgeladen 2.) Beim Entladen explodiert die Alubrücke an der engsten Stelle mit lautem Knall, denn: Da P=IR2 tritt an der engsten Stelle (größtes R!) die höchste Wärmeleistung auf. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 48
