Vorlesung 1, pdf
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Physik I und II für Studenten der Zahnmedizin und Biologie - 2. Teil Universität Hamburg Wintersemester 2016/17 Georg Steinbrück, [email protected] Folien/Material zur Vorlesung auf: www.desy.de/~steinbru/PhysikZahnmed Mein Arbeitsgebiet: Experimentelle Elementarteilchenphysik an großen Beschleiunigern. Beteiligung am CMS Experiment am CERN/ Genf Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 1 WS 2016/17 Literaturempfehlungen • Harten: Physik für Mediziner, Springer Verlag • Sehr gutes, ausführliches Buch • Trautwein, Kreibig, Oberhausen, Hüttermann: Physik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten, de Gruyter • Zu Einzelfragen: Google, Wikipedia Informationen zur Physik für Mediziner an der Universität Hamburg (kennen Sie sicher): http://wwwiexp.desy.de/users/uwe.holm/Medizin.html Hier unter anderem auch: Skript von Hossein Salehi (Teil 1) und Uwe Holm Meine Folien (nach der jeweiligen Vorlesung!): http://www.desy.de/~steinbru/PhysikZahnmed Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 2 WS 2016/17 Vorlesung 1: Elektrostatik Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 3 WS 2016/17 Elektrizität und Magnetismus -Elektrostatik Elektrostatik: Unbewegte Ladungen, Kräfte, elektrische Felder Ladung: Ursache der elektrischen Kraft Versuch: „Erzeugung“ von Elektrischer Ladung durch Reibung (Genauer: Trennung positiver und negativer Ladungen!) 1. Fell und Hartgummistab 2. Seidentuch und Glasstab Elektronen fließen vom Fell auf den Kunststoffstab. Elektronen fließen vom Glasstab auf das Seidentuch. Kunststoffstab ist negativ geladen. Glasstab ist positiv geladen. + - + Stab Kugel + Abstoßung Anziehung Resultat: Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche Ladungen ziehen sich an. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 4 WS 2016/17 Kleiner Quizz: Gegeben sind drei Objekte: Welche der folgenden Aussagen sind wahr? a) A und C haben Ladungen gleichen Vorzeichens. b) A und C haben Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens. c) Alle drei Objekte haben Ladungen gleichen Vorzeichens. d) Eines der Objekte ist neutral. e) Man muss mehr Experimente machen, um das Vorzeichen der Ladung jeder Kugel zu bestimmen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 5 WS 2016/17 Kleiner Quizz: Gegeben sind drei Objekte: Welche der folgenden Aussagen sind wahr? a) A und C haben Ladungen gleichen Vorzeichens. b) A und C haben Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens. c) Alle drei Objekte haben Ladungen gleichen Vorzeichens. d) Eines der Objekte ist neutral. e) Man muss mehr Experimente machen, um das Vorzeichen der Ladung jeder Kugel zu bestimmen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 6 WS 2016/17 Versuch: Van de Graaff Generator Prinzip: Mechanische Trennung von Positiven und negativen Ladungen. Dadurch Aufladen einer Elektrode. Links zu historischen Bildern von riesigen van de Graaff Generatoren: http://libraries.mit.edu/archives/exhibits/van-de-graaff/ Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 7 WS 2016/17 Versuch: Van de Graaff Generator Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 8 WS 2016/17 Moderner van de Graaff Generator am Hahn-Meitner Institut in Berlin, erzeugt 5 MV! Spannungen über 2MV nur möglich mit Isoliergas: z.B. SF6 mit 1MPa. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 9 WS 2016/17 Versuch: Messung der elektrischen Ladung mit Elektrometer 1. 2. Funktionsweise Ausschlag umso größer, je mehr Ladungen auf Elektrometer. Transport von Ladungen mit Becherelektroskop Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 10 WS 2016/17 Film zum Löffeln von Ladungen von einem auf ein zweites Elektroskop: http://www.physnet.uni-hamburg.de/ex/html/versuche/elmag/E01_07/e01_07.mpg Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 11 WS 2016/17 Leiter und Nichtleiter Elektrische Leiter: Ladungen sind frei beweglich Zum Beispiel: Elektronen in Metallen, Ionen in Flüssigkeiten. Wie sind die Ladungen in einem Metall verteilt? Abstoßung: Ladungen immer außen. Nichtleiter/ Isolator: (Beispiel: Kunststoffe, Gummi, Glas) Ladungen können sich nicht (oder nur sehr schlecht) bewegen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 12 WS 2016/17 Influenz Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 13 WS 2016/17 Die Einheit der elektrischen Ladung Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb: 1 C Die kleinste Einheit der elektrischen Ladung ist die sogenannte Elementarladung e: e=1,6x10-19 C Alle Ladungen, die man in Experimenten beobachtet hat, sind Vielfache dieser Ladung! Ladung des Protons: qp = +1e Ladung des Neutrons: qn = 0e Ladung des Elektrons: qe = -1e Achtung: Alle Quarks haben Ladungen q=-1/3 bzw. q=+2/3. Sie kommen aber nie einzeln vor sondern nur in Kombinationen, die ganzzahlige Vielfache von e ergeben! Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 14 WS 2016/17 Einheit der elektrischen Ladung: Das Milikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923) Sehr feine Öltröpfchen (<1µm) werden mithilfe eines Zerstäubers erzeugt. Sichtbar nur anhand von Beugungsbildern unter einem Mikroskop. Die Öltröpfchen sinken mit konstanter Geschwindigkeit nach unten: Gravitationskraft ausgeglichen durch Stokes-Reibung (Reibungskraft ~Geschwindigkeit). Außerdem: Auftriebskraft! Im elektrischen Feld eines Kondensators kann man beobachten, dass einige Öltröpfchen schneller sinken als vorher, andere langsamer, andere kommen zum Stillstand (schweben). Des weiteren: Spontane, sprunghafte Änderung der Geschwindigkeit kann bei einigen Töpfchen beobachtet werden. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 15 WS 2016/17 Einheit der elektrischen Ladung: Das Milikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923) Bestimmung der Ladung z.B. für den Schwebe-Fall. Dann: FE = FG – FA elektrische Kraft gleicht gerade die um die Auftriebskraft reduzierte Gravitationskraft aus. FE = FG − A Uq (siehe nächste Vorlesung!) d = ρ 43 πr 3 g mit ρ = ρ Öl − ρ Luft Ergebnis: FE = FG − A Uq = ρ 43 πr 3 g d ρ 43 πr 3 gd oder q = U ⇒ Physik 1/2 Steinbrück: Physik I/II Georg Steinbrück [email protected] 16 WS 2016/17 Coulomb-Gesetz Q1 F 12 F 21 Q2 Q1Q2 ' f 2 r 2 1 ' −12 C −12 As ε 0 = 8,85 ⋅10 8 , 85 10 f = = ⋅ 4πε 0 Nm 2 Vm F= ε 0 : Permittivität des Vakuums Nm 2 f = 8,99 ⋅10 C2 ' Wichtig: 9 r r F12 = F21 = F Richtung von F: Entlang der Verbindungslinie zwischen den Ladungen F<0 : anziehende Kraft F>0 : abstoßende Kraft Coulomb-Gesetz mit Richtung: F= f' Q1Q2 ⋅ eR r2 Physik 1/2 e R Ist der Einheitsvektor in Richtung der Verbindungslinie zwischen beiden Ladungen. Georg Steinbrück [email protected] 17 WS 2016/17 Coulomb-Gesetz: Beispiel Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 18 WS 2016/17 Das elektrische Feld Eine Ladungsverteilung erzeugt um sich ein elektrisches Feld. Die elektrische Feldstärke in einem Punkt P ist definiert als: r r F r r E = , F = qE q r r E ist ein Vektor, der in die gleiche Richtung wie die Kraft F zeigt Das Problem faktorisiert in eine Einheits-Probeladung q und eine Eigenschaft der elektrischen Ladungsverteilung: Das elektrische Feld An jedem Punkt um eine Ladungsverteilung herrscht ein elektrisches Feld. Die Einheit des elektrischen Feldes ist: 1 N C später werden wir sehen: 1 Physik 1/2 N V = C m Georg Steinbrück [email protected] 19 WS 2016/17 Das elektrische Feld: Darstellung durch Feldlinien Feldlinien: Veranschaulichung der Richtung der elektrischen Feldstärke. + - + + Regeln für elektrische Feldlinien: 1) Feldlinien beginnen bei + und enden bei -. 2) Feldlinien schneiden sich nicht. 3) Feldlinien stehen immer senkrecht auf Metalloberflächen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 20 WS 2016/17 Elektrische Feldlinien, Felder Java Applets zum Spielen mit elektrischen Feldern, Feldlinien und Ladungen sind hier erhältlich: http://www.schulphysik.de/java/physlet/index.html Übrigens auch zu vielen anderen Themen der Physik! Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 21 21 WS 2016/17 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld Elektrischer Dipol: Hier zwei entgegengesetzt geladene Metallkugeln 1. Hochspannung wird an beiden Platten des Plattenkondensators angelegt. (+3000V linke Platte, -3000V rechte Platte). Der Dipol berührt beide Platten und wird aufgeladen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 22 WS 2016/17 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld Physik 1/2 2. Die Platten werden auseinanderbewegt. Der Dipol beginnt sich zu drehen, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt und umgekehrt. 3. Der Plattenkondensator wird umgepolt. Der Dipol dreht sich wieder, bis seine negative Seite wieder der Platte gegenüberliegt und umgekehrt. Georg Steinbrück [email protected] 23 23 WS 2016/17 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner Grießkorn (neutral) Grießkorn ím elektrischen Feld: Polarisation. Es entsteht ein elektrischer Dipol. Ein elektrischer Dipol versucht, sich in Richtung der Feldlinien zu drehen! Ein elektrischer Dipol versucht sich in Richtung der Feldlinien zu drehen. Deswegen zeigen die Grießkörner in Richtung des elektrischen Feldes. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 24 WS 2016/17 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner Grießkörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine elektrische Dipole sind, richten sie sich im elektrischen Feld aus. Die Spannung zwischen den beiden Polen beträgt 10000 V. + - Schematische Darstellung der Feldlinien zwischen zwei gleichgrossen, entgegengesetzten elektrischen Ladungen. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 25 WS 2016/17 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner + - Feldlinienbild für eine Punktladung. „+“ liegt im „Unendlichen“. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 26 WS 2016/17 Feld im Plattenkondensator + Zwischen zwei Platte herrscht ein homogenes elektrisches Feld. (d.h. Feld ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche Richtung. Das Feld ist innen annähernd homogen, wenn der Plattenabstand klein gegenüber der Seitenlänge/dem Durchmesser einer Platte ist Randbereich! inhomogenes Feld… Was ändert sich, wenn man zwischen die Platten einen Metallring legt? nächste Seite. Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 27 WS 2016/17 Feld im Plattenkondensator mit Metallring Kein Feld im Inneren des Metallrings! Der Ring wirkt als Faraday-Käfig und schirmt das elektrische Feld ab. + - Im Leiter sind Ladungen nur an der Oberfläche, kein Feld innen: Sonst Feldlinien Freie Ladungen bewegen sich, bis Feld verschwindet Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 28 WS 2016/17 Beispiel: Auto als Faradayscher Käfig bei Gewitter Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 29 WS 2016/17 Faradayscher Käfig Im Innern eines Faraday-Käfigs gibt es kein elektrisches Feld. Schutz vor Blitz, allgemein Abschirmung elektrischer Felder Museum of Science, Boston Physik 1/2 Georg Steinbrück [email protected] 30 WS 2016/17
