Übungsblatt09

9. Übung zur Vorlesung PPh
“Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen” WS 2008/2009
(Besprechung am 8.12.2008)
Aufgabe 28
Kirchhoffsche Regeln
Betrachten Sie den folgenden elektrischen Schaltkreis:
2R
I1
I2
R
I3
R
I4
R
Iges
U
I5
R
2R
I6
I9
I8
I10
i) Benutzen Sie die Kirchhoffsche Regel und berechnen Sie alle Stromstärken I1 . . . I10 relativ zum
Gesamtstrom Iges .
ii) Berechnen Sie den Gesamtwiderstand der Schaltung für R = 1 kΩ.
iii) Wie groß ist Iges , wenn die Spannungsquelle eine Spannung von 10 V ausgibt?
Aufgabe 29
Spannungswaage
Große Spannungen können mit einer Spannungswaage gemessen werden. Dabei wird die Kraft, die
zwei geladene Kondensatorplatten aufeinander ausüben durch eine Gewichtskraft kompensiert. Der
Kondensator einer Spannungswaage wie in Abbildung 1 habe eine Kapazität von 1 nF. Weiter sei
die Waage ohne angelegte Spannung ausgeglichen und der Abstand der Kondensatorplatten betrage
dann 1 cm.
Nun wird eine unbekannte Spannung angelegt. Die Platten ziehen sich also an, was durch ein Gewicht
m = 4 g kompensiert wird, so dass die Waage weiterhin im Gleichgewicht ist.
i) Welche Spannung liegt am Kondensator an? D.h., Welche Spannung verursacht eine Anziehungskraft der Platten die der Gewichtskraft m · g entspricht.
(Antwort für die folgenden Teile: U = 886 V)
ii) Welche Ladungsmenge Q ist auf den zwei Platten gespeichert? (Gefragt ist die Ladungsdifferenz
zwischen den beiden Platten.)
iii) Wie groß ist die Feldstärke E zwischen den PLatten und welche Kraft erfährt dadurch ein Elektron, das sich in der Mitte zwischen den Platten befindet? (Nehmen Sie dafür an, der Kondensator
bestehe aus zwei sehr großen parallelen Platten, ohne ein Medium dazwischen)
iv) Das Elektron wird durch diese Kraft beschleunigt. In welche Richtung und wie schnell ist es beim
Auftreffen auf die Platte.
Abbildung 1: Links: Spannungswaage ohne angelegte Spannung: Das Gewicht des Kondensators links
wird durch die Masse ma rechts ausgeglichen. Die grünen Elemente isolieren den Kondensator nach
oben und unten. Rechts: Nun wird eine Spannung U angelegt, die zu einer Anziehung der Platten
führt. Zur Bestimmung der Spannung wählt man m gerade so, dass die Waage wie hier wieder im
Gleichgewicht ist.
Aufgabe 30
Elektroschock
Es gibt eine Faustregel dafür, wie groß die Stromstärke Imax eines 50 Hz-Wechselstromes sein darf, ab
√
der bei einer Schockdauer ∆t Herzflimmern einsetzen kann. Mit der Konstanten ξ = 0.116 A s lautet
sie:
ξ
Imax = √ .
∆t
Wenn Sie bei trockenen Händen einen Körperwiderstand von 104 Ω bzw. bei feuchten Händen von 800
Ω haben,
i) wie groß sind jeweils die Ströme, die durch Ihren Körper fließen, wenn eine 50Hz-Wechselspannung
von 230 V zwischen den Händen anliegt, und
ii) wie lange darf der Strom höchstens fließen, ohne das Herzflimmern einsetzt?
iii) Erklären Sie den Unterschied zwischen einer Überstromschutzeinrichtung und einem FehlerStrom-Schutzschalter!
Aufgabe 31
Gewitter
i) Sie geraten in ein Gewitter. Welchen Sinn hat der Spruch „Eichen sollst Du weichen, Buchen
sollst Du suchen”?
ii) Sie schwimmen einem Gewitter in einem See. Ist es gefährlicher, wenn der Blitz vor oder neben
Ihnen einschlägt?
iii) Auf einem mäßg gut leitendem Boden schlägt 3 m links von Ihnen der Blitz ein. Rechts von
Ihnen im Abstand von 7 m im Boden befindet sich eine sehr gute Erdung wie etwa der Erder
eines Blitzableiters oder ein metallenes Wasserrohr. Dieser Punkt bleibt also immer auf ErdPotenzial während der Blitz am Ort seines Einschlags ein Potenzial von 10 kV erzeugt. Wie groß
darf der Abstand Ihrer Füße auf dem Boden maximal sein, damit der Strom durch Ihren Körper
(R = 10 kOhm) kleiner als 50 mA bleibt?