Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10. Elektrostatik 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 Elektrische Ladung Coulombsches Gesetz Elektrisches Feld Kraft auf Ladungen Elektrisches Potential Elektrische Kapazität Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.1 Elektrische Ladung Es gibt (genau) zwei Arten von Ladungen + (positiv) und – (negativ) Es gilt: gleichnamige Ladungen stoßen sich ab + + - - Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an + - Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Eigenschaften von Ladungen - Ladungen sind quantisiert - Es gibt kleinstmögliche Ladungsmenge = Elementarladung e e = 1,60217733(49) x 10-19 C Beispiele: Elektron (e-) q = - e Proton (p) q = + e Positron (e+) q = + e - Jede Ladungsmenge ist ganzzahliges Vielfaches von e (Ausnahme Quaks) - Ladungen können nur Paarweise erzeugt werden z.B. γ e+ e- (später mehr) - Es gilt immer Ladungserhaltung (in geschlossenem System) Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Elektrische Leiter und Isolatoren Man unterscheidet Leiter - Guter Transport von Ladungen innerhalb des Materials - Ursache sind frei bewegliche Ladungsträger (meist Elektronen) - Beispiele: fast alle Metalle Cu, Fe, Al, .... die Erde Isolatoren - Kein Transport von Ladungen innerhalb des Materials - Keine frei beweglichen Ladungsträger - Beispiele: Glas, Plastik, Nylon, .... Luft Halbleiter - schlechter Transport von Ladungen innerhalb des Materials - Wenige frei bewegliche Ladungsträger - Bespiele: Ge, As, Si Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Was passiert ? Plastik Frage: Warum können Luftballons an der Tafel kleben? Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.2 Coulombsches Gesetz Wir hatten: Kraft zwischen zwei Punktladungen q1 und q2 in Abstand r Bei mehr als zwei Ladungen gilt: Die Gesamtkraft auf eine Ladung ist durch die Vektorsumme der einzelnen Kräfte gegeben. Beispiel: + q1 + q2 - x q3 Fges auf 1 = F2 auf 1 + F3 auf 1 Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker 10.3 Elektrisches Feld Def.: mit q = Testladung 1. Beispiel: Punktladung + q = positiv - q = negativ Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker 2. Beispiel: Zwei Punktladungen, E-Feld am Punkt P = ? Für x >> a Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Elektrisches Dipolfeld Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 3. Beispiel: Homogene geladene ebene Fläche A mit Gesamtladung Q und Flächenladungsdichte σ = Q/A Ergebnis (siehe Übung) + + + + E= σ 2 ε0 E E 4. Beispiel: Zwei entgegengesetzt homogen geladene Leiterflächen mit Flächenladungsdichte +σ bzw. -σ + + + + + + + + + + + + + + - - ~~ + + + + + + + + + - E= σ ε0 Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker 5. Beispiel: homogene Linienverteilung der Gesamtladung Q auf Länge 2a. E-Feld im Punkt P = ? Ergebnis für a >> x: Mit Linienladungsdichte λ (siehe Übung) Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.4 Kraft auf Ladungen 10.4.1 Punktladung im elektrischen Feld Auf Teilchen der Ladung q wirkt im elektrischen Feld E Kraft F Beispiele: 1. Tintenstrahldrucker 2. Monitor Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.4.2 Dipol im elektrischen Feld - Atom besteht aus Atomkern in Elektronenwolke. - Falls Elektronenwolke kugelsymmetrisch Ladungsschwerpunkte Kern-Elektron identisch Atome sind unpolar. - Falls Ladungsschwerpunkte nicht identisch Dipol Elektrischer Dipol: - Paar von Punktladungen mit q1=q2 - Ladungen ungleichnamig geladen - Ladungen getrennt durch Abstand l Man definiert elektrisches Dipolmoment p Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Polare Moleküle haben permanentes Elektrisches Dipolmoment. Falls unpolare Moleküle in äußerem Elektrischen Feld Dipol mit induziertem Dipolmoment Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Frage: Wie sehen F und M auf Dipol aus, der sich in äußerem elektrischen Feld E befindet? Annahme: E = konstant, homogen Kraft F = ? Drehmoment M = ? Kräfte wirken nicht entlang einer Achse Kräftepaar Drehmoment M = 0 10. Elektrostatik Für potentielle Energie Epot gilt: dreht sich Dipol um Winkel dθ verrichtet E Arbeit Potentielle Energie = negative verrichtete Arbeit Integration ergibt θ = 0o entspricht minimaler Energie - + θ = 1800 entspricht maximaler Energie + - 10. Elektrostatik Wassermoleküle haben elektrisches Dipolmoment Elektrische Dipole richten sich im elektrischen Feld aus Elektrisches Wechselfeld von Mikrowellen lassen Wassermoleküle schwingen Reibung Wärme Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.5 Das elektrische Potential Wir hatten für die potentielle Energie Im Gravitationsfeld m g h1 Im elektrischen Feld h1 Epot wächst q E h h0 m d h0 ΔEpot = mgh1 – mgh0 Epot = mgh Epot wächst für welches q? q ΔEpot = qEh1 – qEh0 Epot = qEd Beachte: Gilt nur für homogene Felder Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Problem: Potentielle Energie ist abhängig von Ladung im E-Feld Lösung: Man definiert (Änderung des) Potential(s) ΔV = Vb - Va - =U Es gilt: Potentialdifferenz ΔV = Spannung U Einheit der Spannung: 1 V = 1 J/C Einheit der elektrischen Feldstärke: 1 N/C = 1 V/m Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Beispiel: Potential einer Punktladung Für das Potential ergibt sich: V = - E ds mit: V V V V V + V0 Es gilt: ds V ds Ladung q Potential V positiv positiv negativ negativ Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Beispiel Batterie Epot = q 12 V + + - + Epot = 0 12 V Hinweis: In Wirklichkeit bewegen sich Elektronen, später mehr Batterie mit 12 V - Potential positiver Anschluss ist um 12 V höher als negativer Anschluss - Positive Ladungen werden vom positiven Pol abgestoßen und bewegen sich durch Leiter zur Lampe - In Lampe wird potentielle elektrische Energie in Wärme umgewandelt Lichtemission - Am negativen Pol Epot = 0 - Chemische Energie in Batterie gibt Ladung elektrische potentielle Energie Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Beispiel: Potential eines Platenkondensators y +++++++++ V = - E ds d - - - - - - - - d V = - E ds = Ed o V= σ ε0 d Äquipotentiallinien Integrationsweg E= σ ε0 +++++++++ mit - - - - - - - - Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.6 Kondensatoren Zwei beliebige, elektrisch geladene Leiter, getrennt durch einen Isolator, bilden einen Kondensator Q+ oder Q+ Isolator Q+ Q- Meist (in der Praxis fast immer) gilt: Ladungen sind dem Betrag nach gleich aber ungleichnamig Q+ | Q+ | = | Q- | Q- Kondensator der Ladung Q bedeutet: - Hohes Potential: Ladung = Q+ - Niedriges Potential: Ladung = Q- |Q+| = |Q-| Gesamtladung = null Nur dies wird betrachtet Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Für einen Kondensator gilt: - Das elektrische Feld in jedem Raumpunkt des Kondensators ist proportional zum Betrag der Ladung Q - Die Potentialdifferenz zwischen den geladenen Leitern ist proportional zu Q Verdopplung von Q (an beiden Leitern) führt zu Verdopplung der Ladungsdichte Verdopplung des elektrischen Feldes Verdopplung der Potentialdifferenz U ABER: Verhältnis Q / U = KONSTANT = C = Kapazität Kondensator ist - Ladungsspeicher - Energiespeicher Q+ U + - QDoris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Q Kapazität: C= U SI-Einheit = Farad (F) 1 F = 1 C/V Bei normalen Anwendungen C zwischen 10-12 F und 10-4 F Symbol: Bauarten: Anwendungen: - 1 cm Elektronischen Schaltkreisen Computerchips Elektronenblitzgeräten Lasern Glättung von gleichgerichtetem Wechselstrom - usw. Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.6.1 Berechnung von Kapazitäten Leitung 1. Plattenkondensator: - parallele Platten - jeweils mit Fläche A - Abstand d A Q+ U d QLeitung A +++++++++ d << Kantenlänge E = homogen - - - - - - - - σ mit σ = Q/A folgt Es gilt E = ε0 1 Q d folgt für C Q E = ε0 A mit U = Ed = ε0 A Q A unabhängig von Q C = U = ε0 d Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker 2. Zylinderkondensator - leitfähiger Draht oder Zylinder mit Außenradius a und Ladung Q+ - zweiter konzentrischer Zylinder mit Innenradius b und Ladung Q- Länge L Für das Feld eines zylindrischen geladenen Leiters der Ladung Q gilt: Q Q λ 1 1 E= = mit λ = L 2πε0 r 2πε0 L r Q b dr Q 1 1 U = + E ds = = ln b/a L 2πε0 L a r 2πε0 2πε0 L Q unabhängig von Q mit C = C = ln b/a U Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.6.2 Kondensatoren seriell und parallel Problem: Kondensatoren gibt es nur mit Standard-Kapazitäten Lösung: Man kombiniere Kondensatoren zur gewünschten Kapazität 1. Reihenschaltung a Q+ ++++ Q- Vab = U b ---- C1 Va – Vc = U1 C2 Vc – Vb = U2 c Q+ ++++ Q- ---- Q , U1 = C 1 Q U2 = C 2 U = U1 + U2 = Q ( 1 + 1 ) C1 C2 U 1 1 + Q = C1 C2 Q bzw. 1 U Cges = U Cges = Q 1 1 1 + Cges = C1 C2 Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Bei mehr als 2 Kondensatoren gilt: 1 Cges = 1 1 + 1 + 1 + ...... C1 C2 C3 Cn a a Q+ ++++ Q- Vab = U b ---- C1 = c Q+ ++++ Q- ---- Vab = U Q+ ++++ Q- ---- Cges = + _ C2 b Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 2. Parallelschaltung a Vab = U Q1- ---- ++++ Q1+ C1 Q2- -- ++ Q2+ b Die Potentialdifferenz ist an beiden Platten gleich U1 = U2 = U Die Ladungen beider Platten sind nicht (unbedingt) gleich Q1 = C1 U , Q 2 = C2 U C2 Für Qges = Q und somit Cges = C gilt: Q Q = Q1 + Q2 = U (C1 + C2) = C 1 + C2 U Allgemein gilt für n Kapazitäten: Cges = C1 + C2 + C3 ..... + Cn Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.6.3 Kondensator als Energiespeicher U Q+ + - Q- Batterie _ + Ein/Aus Betrag der Arbeit q´ dW = U´ dq´ = dq´ C Q q´ W = dW = dq´ C 0 2 Q W= 2C Q2 Epot= = 1 CU2 2C 2 Energiedichte: wel = Epot = 1 ε0 E2 dA 2 Doris Samm FH Aachen 10. Elektrostatik Physik für Informatiker Beispiele für Anwendugen - Blitzlichtgerät Aufladen eines Kondensators mit Hilfe einer Batterie auf 400 V Entladung innerhalb von Mikrosekunden Leistung: einige kW - Ladungsspeicher DRAM (dynamisches RAM) EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory) Flash-Speicher - Kondensator als Sensor Abstands- Dickemessungen Beschleunigungssensor Drucksensor Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik 10.7 Dielektrika + + + + + + + + Induzierte Dipole im Dielektrikum E0 U0 damit U = Es gilt: E = εr εr εr : Dielektrizitätszahl - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - +++++++++ - - - - - - - - - +++++++++ Kondensator „leer“ + + + + + + + + +++++++++ Q = Q0 , E < E0 Q0 , E0 Dielektrikum schwächt E0 (In der Praxis füllt Dielektrikum gesamten Innenraum aus) damit C = ε r C0 Doris Samm FH Aachen Physik für Informatiker 10. Elektrostatik Funktionen des Dielektrikums - Erhöhung der Kapazität - mechanischer Abstandshalter - Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit Material Glas Luft Papier Plexiglas Porzellan Dielektrizitätszahl 5,6 1,00059 3,7 3,4 7 Durchschlagfestigkeit in kV mm-1 14 3 16 40 5,7 Doris Samm FH Aachen