Elektrisches Feld

Physik für Mediziner,
Zahnmediziner und
Pharmazeuten
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SS2000
18.-20.Vorlesung
2.6./5.6./6.6.2000
Prof. Dr. Alois Putzer
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Plan : Nächste Vorlesungen
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Heute:
Elektrizität
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Danach :
Optik
Röntgenstrahlung
Radioaktivität
Nuklearmedizin
Elektromagnetische
Wellen
Tomographie, Laser,......
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Elektrostatik
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Elektrische Kräfte bestimmen den Aufbau
der Materie.
Positive und negative Ladung
Proton (+), Elektron (-)
Elektrisch neutraler Zustand : Gleiche
Zahl von positiven und negativen
Bausteinen.
Freie Ladung erhält man durch Trennung
von negativen und positiven
Ladungsträgern.
Elektrostatik : Untersuchung von freien
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ruhenden Ladungen.
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Elektrische Kraft
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Elektrische Kräfte gehen von Ladungen
aus und wirken auf Ladungen.
Ladung : 1 C= 1As = 6,242 1018qe (Elektron)
qe = 1,602 10-19 C
Coulomb Gesetz (1785)

Fel 
ε
1 Q1Q 2 
er
4π ε 0 r²

8,8510
o
4
12
As
Vm
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Einheiten der Elektrizität
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Strom
: I : Ampere : A (Grundgröße)
Ladung : Q: Coulomb : C = As
Spannung : U :Volt
: V = Nm/As
Leistung : P :Watt
: W = VA
Energie : W :
: Ws = VC = J
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Elektrisches Feld(1)
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Jede elektrische Ladung ist immer von
einem elektrischen Feld umgeben.
Bringt man eine Probeladung q in ein
elektrisches Feld, so wirkt die
Coulombkraft auf diese.
Damit erhalten wir für das elektrische
Feld
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
 Fel
E
q
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Elektrisches Feld (2)
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Das elektrische Feld einer
Punktladung:

 F
1 Q
E 
er
q 4π  0 r²
[E] = N/As = V/m
Die Richtung des Feldvektors zeigt in
die Richtung in die sich eine positive
Probeladung bewegen würde.
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Feld einer Punktladung
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Feld zweier ungleicher Ladungen
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Feld zweier gleicher Ladungen
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Elektrisches Feld (3)
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Richtung der Feldlinien = Richtung des elektrischen Feldes
Dichte der Feldlinien ist proportional zur Stärke
des elektrischen Feldes.
Elektrische Feldlinien beginnen und enden
immer auf Ladungen.
Das elektrische Feld steht senkrecht auf einer
Leiteroberfläche=> der Innenraum eines
geschlossenen Leiters ist feldfrei (und damit
ladungsfrei.)
Das elektrische Feld läßt sich abschirmen:
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Faradaykäfig.
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Elektrische Spannung(1)
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Verschiebung einer Ladung im elektrischen
Feld erfordert, analog zur Bewegung einer
Masse im Gravitationsfeld, die Arbeit
W=F s = q E s = q E (r1 - r2) = q U12
Die Größe U nennt man die
Potentialdifferenz oder elektrische
Spannung zwischen den Punkten 1 und 2.
Die Spannung beträgt 1V, wenn zur Verschiebung der Ladung 1C die Arbeit 1J
erforderlich ist.
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Elektrische Spannung(2)
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Für die Spannung zwischen zwei Metallplatten im Abstand d erhält man
U = Ed (E = U/d)
Für die Kraft auf die Probeladung q ergibt
sich:
F=qE = qU/d
und für die Beschleunigung im elektrischen Feld:
a=F/m = q/m U/d
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Ladungstrennung durch Influenz
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Bringt man einen ungeladenen
metallischen Leiter in ein elektrisches
Feld, so werden die leicht
beweglichen Ladungsträger
(Elektronen) so verschoben, daß im
Inneren kein resultierendes
elektrisches Feld vorhanden ist.
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Influenz
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Dielektrikum
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Speicherung von Ladungen:Kondensatoren
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Die Ladungsmenge Q hängt ab von
der Spannung U, der Fläche der Platten A
dem Abstand zwischen den Platten d
Q = C U bzw. C=Q/U
(C : Kapazität : Farad [F]
A
C ε o
d
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Elektrisches Feld mit Dielektrikum
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Bei Nichtleitern wird das Feld im Inneren
nur geschwächt, da die Ladungen sich
nicht bewegen sondern nur ausrichten
können.
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Kondensator mit Dielektrikum
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Bringt man ein Dielektrikum zwischen die
Kondensatorplatten, so ändert sich die
Kapazität des Kondensators.
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Elektrische Leitung in Metallen
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Drehspulinstrument
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Schiebewiderstand
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Ohmsches Gesetz : U = R I
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Elektrolyse
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Galvanische Elemente
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Faraday-Gesetz
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Fließt ein StromI so wird in der Zeit t
die Ladungsmenge Q = I t von den
Ionen transportiert. Trägt ein Ion die
Ladung z e so sind es N = Q/ze
Ionen.
m(g)=Molmasse/z •Q/F
F = e NA = 96485 C/mol
n(mol) = Q/z.F
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Elektrizitätsleitung im Vakuum
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Zählrohr
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