Einführung und Definitionen ¨Ubersicht
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Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript Einführung und Definitionen Übersicht 1 Einführung 1 2 Definitionen 2.1 Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2.2 2.3 Elektrischer Strom (Stromstärke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2.4 2.5 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Kraft (Coulomb-Kraft) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 2.6 2.7 Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 2.8 2.9 Plattenkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1 Amperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 2.9.2 2.9.3 5 6 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript 1 Einführung Kaum ein physikalisches Phänomen hat die Menschheit bisher so fasziniert wie die Elektrizität. Schon im Altertum waren Phänomene der Elektrizität bekannt und beschrieben worden. So wussten beispielsweise die alten Ägypter, dass Zitterrochen den elektrischen Schock zum Beutefang nutzen. Die alten Griechen kannten die elektrische Aufladung des Bernsteins, der von ihnen elektron genannt wurde, durch das Reiben mit einem Fell, woraufhin der Bernstein leichte Federn gegen die Gravitationskraft anziehen konnte. Heutzutage ist die Elektrizität nicht mehr wegzudenken. Kaum etwas funktioniert heute mehr ohne Strom und deshalb ist das Verständnis der Phänomene des elektrischen Feldes so wichtig. Im Folgenden werden wir die wichtigsten Begriffe und Themen zusammentragen, die zum Verständnis der Phänomene des elektrischen Feldes und der Wirkungen wichtig sind. Quelle: Quelle: Quelle: wikipedia.org - Anders Damgaard (CC BY-SA 3.0) wikipedia.org - 1997 (CC BY-SA 3.0) wikipedia.org - Jok2000 (CC BY-SA 3.0) 2 Definitionen Zunächst wollen wir die grundlegenden Größen der Elektrostatik definieren und die zur experimentellen Behandlung des Themas notwendigen Geräte vorstellen. 2.1 Ladung Ladung ist eine physikalische Größe, sie hat das Formelzeichen Q für große und q für kleine Ladungen. Die Einheit der Ladung ist Coulomb [C]. In SI-Einheiten ausgedrückt entspricht 1 C = 1 A · 1 s. Also ist 1 Coulomb diejenige Ladung, die in einer Sekunde durch den Querschnitt eines Drahtes bewegt wird, in dem eine Stromstärke von 1 Ampere herrscht. Wie du aus deiner Alltagserfahrung wahrscheinlich weißt, gibt es positive und negative Ladungen und Kräfte zwischen diesen. Treffen etwa gleichnamige Ladungen aufeinander, kann eine abstoßende Kraft und bei ungleichnamigen Ladungen eine anziehende Kraft beobachtet werden. Diese elektrischen Kräfte werden weiter unten im Skript unter unter Elektrische Kraft behandelt. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber + + + + + + - + + + Seite 1/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. - - www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript Ladungsträger sind üblicherweise Elektronen, die eine Elementarladung tragen und Ionen, die eine oder mehrere überschüssige Elementarladungen tragen oder ein Defizit von einer oder mehreren Elementarladungen aufweisen können. Eine Elementarladung e− entspricht dabei gerade 1 e− = 1, 6 · 10−19 C. Ein Coulomb entspricht demzufolge 1 C = 6, 25 · 1018 e− . In abgeschlossenen physikalischen Systemen herrscht Ladungserhaltung und dementsprechend kann Ladung nicht einfach erzeugt oder vernichtet werden. 2.2 Elektrischer Strom (Stromstärke) Ein elektrischer Strom ist wie jeder Strom (Fluss, Menschenstrom) eine Bewegung von vielen Einzelobjekten (Wassermolekülen, Menschen), bei der Elektrizität im Speziellen von Elektronen. Der elektrische Strom, auch Stromstärke genannt, wird dadurch messbar und damit zu einer physikalischen Größe mit dem Formelzeichen I. Man kann den elektrischen Strom auch gut nachvollziehbar über die Ladung definieren. Der Strom gibt an, wie viel Ladung (rote Kugeln) in einer gewissen Zeitspanne durch den zur Verfügung stehenden Querschnitt (graue Fläche) eines Drahtes fließt, also I= ∆Q ∆t Der elektrische Strom wird in der internationalen SI - Einheit A (Ampere) angegeben, benannt nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère. 1 A entspricht nach obiger Formel dann gerade: 1A = 1C 1s 2.3 Elektrischer Widerstand Die freien Ladungsträger im Inneren eines Leiters stoßen gegen einzelne Atome des Leiters, was ihren Fluss behindert. Bei diesen Zusammenstößen verlieren die Elektronen elektrische Energie, welche in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese Behinderung für die Ladungsträger wird elektrischer Widerstand genannt und mit dem Formelzeichen R bezeichnet. Die zugehörige SI - Einheit ist das Ohm [Ω]. Es gilt: 1Ω = 1V 1A Die Größe des Widerstandes ist nach dem Ohmschen Gesetz abhängig vom Strom bzw. der Stromstärke I und der Spannung U, welche im Skript elektrische Spannung “behandelt wird. ” Nach dem Ohmschen Gesetz gilt: R= U I Je höher die Spannung U ist, desto intensiver sind die Zusammenstöße der Elektronen mit den Atomen und desto mehr elektrische Energie geht im Leiter als Wärmeenergie verloren. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber Seite 2/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript 2.4 Elektrische Leistung Die physikalische Größe im allgemeinen ist definiert als die Energie, die in einer Zeitspanne bezogen oder bereitgestellt wird. Die Leistung P ist also der Quotient aus der verrichteten Arbeit ∆W oder der bezogenen Energie ∆E in einer festgestellten Zeitspanne ∆t: P= ∆E ∆W = ∆t ∆t Ihre SI-Einheit ist das Watt [W]. Es gilt: 1W = 1 J s Die elektrische Leistung wiederum ist ebenfalls als Produkt aus der Spannung U (siehe PhysikLV-Skript Elektrische Spannung “) und der elektrischen Stromstärke I definiert: ” P=U·I 2.5 Elektrische Kraft (Coulomb-Kraft) Zwischen zwei Ladungen ist eine elektrostatische Kraft beobachtbar. Sie wird im Falle von Punktladungen auch häufig als Coulomb-Kraft bezeichnet. Je nach Vorzeichen der elektrischen Ladungen wirkt diese anziehend oder abstoßend. Dies entspricht nicht nur deiner Erfahrung, sondern du kannst es auch an Hand der folgenden Formel beweisen: Fel = FC = Q1 1 Q ·Q · 12 2 4 π ǫ0 r FC Q2 r Die Konstante ǫ0 wird als elektrische Feldkonstante bezeichnet und im gleichnamigen PhysikLV-Skript behandelt. Der Radius r bezeichnet den Abstand der beiden elektrischen Ladungen. Wenn du dir bewusst machst, dass der erste Faktor konstant ist, kannst du erkennen, dass die elektrische Kraft proportional zum Produkt der Ladungen und antiproportional zum Quadrat des Radius ist. Sind Q1 und Q2 gleichnamig geladen, haben also gleiche Vorzeichen, so stoßen sie sich erfahrungsgemäß ab. Eine positive elektrische Kraft definiert also ein Abstoßen und eine negative Kraft ein Anziehen. Ebenfalls kannst du der Gleichung entnehmen, dass bei zunehmendem Abstand der Ladungen voneinander die anziehende Kraft immer schwächer wird bzw. immer stärker, je näher sie sich kommen. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber Seite 3/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript 2.6 Influenz Die Elektrische Kraft (Coulomb-Kraft) wirkt sich auf alle Ladungsträger aus. Doch bei leitenden Materialien sorgt die elektrische Kraft dafür, dass sich die elektrischen Ladungen räumlich verschieben. Dies führt zu lokalen Ladungsdichten. In Metallen etwa sind die Außenelektronen, die im Bohrschen Atommodell auf der äußeren Schale des Metalls sitzen, nur schwach gebunden und können leicht abgegeben werden. Hierdurch entsteht ein so genanntes Elektronengas. Die Elektronen sind dementsprechend frei beweglich. Wirkt nun eine elektrische Kraft von außen auf das Metall, so verschieben sich die Elektronen. Da Elektronen negativ geladen sind, könnte also im Fall II) von rechts eine negative oder von links eine positive Ladung auf die Elektronen einwirken und somit die vorliegende Verschiebung verursachen. Fall II) Fall II) Fall I) n = 1 Elektron 2.7 Feldlinien Feldlinien werden auch Kraftlinien genannt, da sie die von einem Feld auf einen Körper ausgeübte Kraft veranschaulichen. Sie sind in der Regel gekrümmte, gedachte Linien. Man kann sie also nicht mit den Augen wahrnehmen, sondern nur in Versuchen beschreiben. In einem Feld wird also die Richtung, in die die Kraft wirkt, durch die Richtung der Feldlinien beschrieben, die Stärke des Feldes dagegen durch die Dichte der Feldlinien. Je näher sich die Feldlinien also kommen, desto stärker ist an dieser Stelle das Feld. Es gibt verschiedene Feldlinienarten: Gravitationsfeldlinien beschreiben die Kraftwirkung der Schwerkraft auf eine Probemasse. Magnetische Feldlinien veranschaulichen die magnetische Kraft auf einen magnetischen Pol. Elektrische Feldlinien werden im PhysikLV-Skript Elektrisches Feld und Feldlinien “erläutert. ” - - - N Gravitationsfeldlinien c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber S magnetische Feldlinien elektrische Feldlinien Seite 4/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript 2.8 Plattenkondensator Ein Plattenkondensator ist ein geeignetes Gerät, um die Eigenschaften von elektrischen Feldern zu untersuchen. Er besteht im Grunde aus zwei voneinander getrennten baugleichen Metallplatten, die sich in einem bestimmten Abstand parallel gegenüberstehen. Trägt eine Platte mehr Ladung als die andere, entsteht zwischen den Platten ein elektrisches Feld mit Feldlinien. Diese sehen genauso aus wie das Beispiel für elektrische Feldlinien im obigen Kapitel Feldlinien. Oberfläche A d Kenngrößen eines Plattenkondensators sind der Abstand d zwischen den Platten, der Flächeninhalt A einer der Platten und das Vorhanden- oder Nichtvorhandensein eines Mediums zwischen den Platten. Das Schaltzeichen eines Kondensators im Schaltbild eines Stromkreises sieht wie nebenstehend aus. Kondensator Eigenschaften und Rechnungen zu Kondensatoren allgemein findest du im PhysikLV-Skript Kondensatoren “. ” 2.9 Messgeräte 2.9.1 Amperemeter Ein Amperemeter misst den elektrischen Strom (Stromstärke), ist also ein Strommessgerät. Das Schaltzeichen ist ein großes A in einem Kreis und sieht folgendermaßen aus: A 2.9.2 Voltmeter Ein Voltmeter dient zur Messung der elektrischen Spannung, ist also ein Spannungsmessgerät. Das Schaltzeichen ist ein großes V in einem Kreis und sieht folgendermaßen aus: V c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber Seite 5/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Einführung und Definitionen PhysikLV-Skript 2.9.3 Ohmmeter Ein Ohmmeter dient zur Messung des elektrischen Widerstand, ist also ein Widerstandsmessgerät. Es sollte bei der Verwendung des Begriffs betont werden, dass es sich um ein Messgerät handelt, da es auch eine SI - Einheit Ω m (sprich: Ohmmeter) gibt. Das Schaltzeichen ist ein großes Ω in einem Kreis und sieht folgendermaßen aus: Ω c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Ekaterina Ilina, Thomas Lauber Seite 6/6 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net
