Vorlesung 5 - Physik (Uni Würzburg)

Einführung in die Physik II
für Studierende der Naturwissenschaften
und Zahnheilkunde
Sommersemester 2007
VL #5 am 27.04.2007
Vladimir Dyakonov
Frage des Tages
Kupfermünze hat die Masse 0.003 kg
Atomzahl Z=29
Relative Atommasse von Kupfer ist 63.5g/Mol
--------------------------------------Gesamtladung aller Elektronen in der Münze?
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An jedem Raumpunkt wird Kraft F auf elektrische
Ladung q ausgeübt:
Die Stärke der elektrischen Kraft pro
Ladungsmenge nennen wir:
elektrische Feldstärke E
E elektrisches Feld beschreibt Zustand (lokale Kraftwirkung auf Probeladung) des Raumes der durch
Ladungen erzeugt wird
E ist ein ortsabhängiger Vektor (Vektorfeld)
Dimension (Einheit) von E ist V/m (Volt/Meter)
Wie kann man Feldstärkenfeld
darstellen?
E-Feld Richtung fällt immer mit der Richtung der Kraft auf
eine positive Testladung +q zusammen
+q
+Q
Für ausgewählte Raumpunkte wird Richtung
und Betrag (Länge) angegeben
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Konstruktion von Feldlinien
Man erhält eine Feldlinie, wenn man von einem gegebenen Punkt des
Raumes ein kleines Stück in Richtung des Feldstärkevektors
voranschreitet, dann erneut die Richtung des Feldstärkevektors
bestimmt, wieder ein Stück weiterschreitet und so fort.
Feldlinien einer Punktladung
E=
F
1 Q
=
⋅
q 4πε 0 r 2
• Elektrische Feldlinien beginnen bei positiver Ladung und enden
bei negativer Ladung
• Feldlinien überkreuzen sich nicht und haben keine Wirbel falls
Ladungen sich nicht bewegen
ƒ Die Intensität der Feldlinien (=Anzahl der Feldlinien pro Fläche
dA) ist proportional zur Stärke der Kraft
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Feldlinien eines Dipols (=2 Ladungen)
Feldlinien 2er gleichnamiger Ladungen
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Experimentelle Bestimmung von
Feldlinienbilder
Schale mit Grieß
in Öl
-
-
+
+
Brandenburg
V
20
10
1
30
0
2
3
0
kV
mA
zum Versuch
Heizung
AUS
AUS
Instrument
output voltage
Feldlinienbilder
Grießkörner haben die Eigenschaft, dass sie in einem elektrischen Feld zum Dipol
werden, die sich längs der Feldrichtung ausrichten und dann auf Grund der
gegenseitigen Anziehung Ketten bilden (ähnlich Eisenfeilspänen im Magnetfeld).
Damit die Grießkörner genügend Bewegungsraum haben, lässt man sie auf Öl
schwimmen.
5
Feldlinien simulieren
Plattenkondensator
-
+
Innen homogenes elektrisches Feld, E ist überall gleich
groß oder ortsunabhängig
Feldlinien sind parallel und haben gleiche Dichte
6
Feldlinien simulieren
Feldlinienbild Plattenkondensator
7
Zusammenfassung: Feldlinienbilder
•in der Mitte zwischen
zwei parallelen Platten
liegt en homogenes Feld
vor.
•Elektrische Felder werden
durch metallische Körper
abgeschirmt.
•Die elektrischen Feldlinien
münden auf metallischen
Oberflächen stets
senkrecht ein.
•Die Ladungen auf einem
Leiter haben ihren Sitz auf
dessen Oberfläche.
Feldlinienbild Spiegelladung
• Steht eine Ladung q vor einer ungeladenen geerdeten Platte, so werden
durch Influenz Gegenladungen auf die Platte aus der Erdung verschoben.
• Das Feldlinienbild sieht aus wie die Hälfte des Bildes zweier entgegengesetzt
gleicher Ladungen mit der Platte in der Mitte.
• Die Kraft zwischen Platte und Ladung lässt sich so berechnen wie die Kraft
zwischen zwei gleichen Ladungen im Abstand 2a.
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Feldlinien simulieren
Feldlinienbild Spiegelladung
Spiegelladung
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Feldverteilung in einem metallischen
Hohlraum
Leitender Ring im Feld eines Plattenkondensators:
Innere des Rings feldfrei
Feldlinien normal auf Oberfläche
Feldverteilung in einem metallischen
Hohlraum - Simulation
Leitender Ring im Feld eines Plattenkondensators:
Innere des Rings feldfrei
Feldlinien normal auf Oberfläche
Leitende Oberfläche ist eine Aquipotenziallinie
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Das elektrische Potential
Prozeßgröße – Arbeit, Zustandsgröße - Energie
Inhomogenes E-Feld
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Differenzielle Arbeit
Gesamte Arbeit durch Aufsummieren der Anteile
in den Teilstücken berechenbar
Für unendlich kleine Teilstücke geht Summation in Integration
über (exakte Berechnung)
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