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Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker
3. Vorlesung – 2.5.08
Evelyn Plötz, Thomas Schmierer,
Gunnar Spieß, Peter Gilch
Lehrstuhl für BioMolekulare Optik
Department für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Erinnerung
r
Fc =
r
1 q1q2 r
r
2
4πε 0 r | r |
Ladung als
Quelle des
Elektrischen
Feldes
Coulomb-Gesetz
Elektrische Spannung
Gaußscher Satz
Elektrischer Strom
Definition des Elektrischen Stroms
Wir betrachten einen „Leiter“ der freie Ladungsträger q enthält.
Nach Anlegen einer Spannung beginnen sich diese zu bewegen.
-
+
Stromstärke
Stromdichte
Fläche A
SI-Einheit:
[I] = 1 Ampère = 1 A = 1 Coulomb / s
Definition über
magnetische Kraftwirkung
(auch Grundlage der Strom-Messung)
Stromstärke
beim Betrieb
einer
Waschmaschine:
Welche Ladungsträger kommen vor?
Experiment
Ladungstransport (Ball)
Metallische Leiter
Jeder geladene Körper kann
Ladungstransport bewirken!
Halbleiter
Gase und Flüssigkeiten
Experiment
Ionenwanderung
Elektrische Leitung und Reibung
Das Experiment „Ionenwanderung“ zeigt, dass sich die Ladungsträger
mit konstanter Geschwindigkeit v bewegen. Warum?
Ladung im Vakuum
-
+
Ladung in Materie
-
+
Drude-Modell der metallischen Leitfähigkeit
Im Drude-Modell besteht ein Metall aus einem Gitter bestehend
aus positiven Atomrümpfen und einem freien Elektronengas!
Elektronendichte n = N/V
Thermische Geschwindigkeit der Elektronen
Mittlere freie Weglänge der Elektronen
Zeit zwischen zwei Stößen
Driftgeschwindigkeit
Driftgeschwindigkeiten in Bio-Analytik:
Elektrophorese
Aus Voet & Voet „Biochemistry“
Warum
geht das
Licht
sofort
an?
Ein Maß für die „Reibung“ in Leitern:
Der Widerstand
Experiment
Ohmsches Gesetz
U
I
Achtung:
Der Widerstand R ist immer der Quotient U/I.
Aber nur für Ohmsche Widerstände ist
dieser Quotient unabhängig von U.
Einheit des Widerstands
[R] = 1 V / A = 1 Ohm = 1 Ω
Einiges zu Widerständen
Fläche A
Widerstand eines Leiters:
l
Einige Werte bei (20 °C)
Silber
1,6 •10-8 Ω m
Kohlenstoff 3500 •10-8 Ω m
Silizium
640 Ω m
Hartgummi 1013 - 1015 Ω m
In jedem Chemischen Institut verschwindet der Widerstand:
Supraleitung
Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes bei
Ohmschen Leiter
NMR-Magnet
(Demonstrationsmodell der
Uni Marburg)
Sprungtemperatur
Supraleitung
Aus Tipler „Physik“
Aus Strom Wärme machen – Joulsche Wärme
R
-
+
Widerstand R wird an
eine Spannung U
angeschlossen.
Bei Transport der Ladung Q
wird folgende elektrische Energie W
in Wärme umgewandelt:
Erzeugte Wärme nach der Zeit abgeleitet
und mit dem Ohmschen Gesetz verheiratet:
Sicherung läßt bei 220 V maximal 16 A zu. Leistung?
Leiter im elektrostatischen Feld
Gibt es unter statischen Bedingungen
innerhalb eines Leiters ein elektrisches Feld?
Faraday
Käfig
Herr Kirchhoff und seine Regeln
Elektrische oder elektronische Bauelemente
enthalten viele Widerstände.
Wie wirken diese zusammen?
Experiment
Reihenschaltung
Anwendung: Spannungsteiler
Experiment
Parallelschaltung
Gewollte Unterbrechung des Stromflusses –
der Kondensator
Warum leuchten
Fahrradlampen
wenn man steht?
Experiment
Laden eines
Kondensators
Wieviel Ladung bei
welcher Spannung?
U
I
Zeit t
Die Kapazität
Kapazität C = Q/U
[C] = 1 C/V = 1 Farad = 1 F
Kapazität lässt sich aus den Parametern des Kondensators bestimmen.
Wir beschränken uns auf den Plattenkondensator:
Vakuum
Dielektrikum
Experiment
Kondensator
mit Dielektrikum