Lernzettel für die 1. Physikarbeit -Felder-
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Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Kräfte als Folge von Feldern auf geeignete Indikatoren beschreiben können - Felder haben spezifische Indikatoren Kräfte können also nur auf passende Indikatoren wirken Indikator für das magnetische Feld ist der Kompaß Indikatoren für das elektrische Feld sind Ladungen (sowohl positiv, als auch negativ) Indikator für das Gravitationsfeld ist die Masse Homogene und inhomogene Felder definieren und unterscheiden - Homogene Felder sind Felder, in denen an jedem Ort des Feldes die selbe Stärke vorliegt Also gleiche Indikatoren erfahren an jedem Ort des Feldes die gleiche Kraft In homogenen Feldern verlaufen die Feldlinien parallel zueinander Inhomegene Felder sind Felder, in denen die Merkmale des homogenen Feldes nicht vorhanden sind Meist entstehen bei der Erzeugung von homogenen Feldern in den Randbereichen inhomogene Felder. Einen Versuch zur Darstellung der Feldstruktur eines magnetischen Feldes beschreiben - Ein Magnet wird auf einen Ebene, möglichst glatte Oberfläche gelegt Dann werden darüber Eisenfeilspäne gestreut Durch Klopfen auf der Oberfläche wird die Reibung der Eisenfeilspäne überwunden, sodass diese sich im Magnetfeld ausrichten können Die Anordnung der Eisenfeilspäne in einem magnetischen Feld erklären - Die Eisenfeilspäne richten sich im Magnetfeld aus Dabei richten sich die Elementarmagnete im Inneren der Eisenfeilspäne in Richtung der Magnetfeldlinien aus Die Eisenfeilspäne bilden also einen eigenen, temporären Nord- und einen Südpol Die sich dadurch ergebenen Eisenfeilspanketten zeigen an, wie sich ein Kompass (passender Indikator) an dieser Stelle im Magnetfeld ausrichten würde Die Eisenfeilspäne geben keine Auskunft über die Stärke des Magnetfeldes Die magnetischen Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und innerhalb des Magneten vom Süd- zum Nordpol Einen Versuch zur Darstellung der Feldstruktur eines elektrischen Feldes beschreiben - In eine flache Glasschale wird soviel Öl gegeben, das der Boden bedeckt ist Dann werden innerhalb dieser Schale zwei Ladungsquellen positioniert Auf das Öl werden nun Grießkörner gegeben © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 1 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Die Anordnung der Grießkörner auf Öl in einem elektrischen Feld erklären - - Die Elementarladungen im Grießkorn richten sich aus, sodass ein Dipol entsteht die auf der einen Seite leicht positiv geladen ist, und auf der anderen Seite leicht negativ geladen ist. Das Öl dient nur dazu, dass sich die Grießkörner frei ausrichten können Die Grießkörnerketten zeigen die elektrischen Feldlinien Die Richtung der Feldlinien wird daran festgelegt, wie sich eine positive Ladung bewegen würde, wenn sie in das Feld gebracht würde und sich frei bewegen könnte. Die Feldlinien des elektrischen Feldes verlaufen also vom Plus- zum Minuspol Den Influenzvorgang erklären - - Wenn man zwei Metallplatten zusammen in ein elektrisches Feld hält, wandern die Elektronen aufgrund des Elektronengases in Metallen zu dem Metall, welches dem Pluspol näher ist. Werden die Platten nun im elektrischen Feld von einander getrennt, so ist die eine Platte positiv geladen und die andere negativ geladen. Dabei gleichen sich die Ladungen gegenseitig aus. Führt man die Platten also außerhalb des Magnetfeldes wieder zusammen, neutralisieren ich die Ladungen. Den Ladungspolarisationsvorgang erklären - In Nichtmetallen gibt es kein Elektronengas, also die Elektronen können sich nicht frei bewegen und sind an ihre Atome (Protonen) gekoppelt Innerhalb der Atome können sich die Elektronen jedoch zu einer Seite bewegen, wenn sich das Atom in einem elektrischen Feld befindet. Damit wird die eine Seite des Atoms leicht positiv und die andere Seite leicht negativ Es bildet sich ein Dipol, der nach außen zwar neutral ist, sich jedoch durch die inneren Ladungsverschiebungen im elektrischen Feld ausrichten kann und dann auch von einem Pol abgestoßen oder angezogen werden kann. Aussagen von Feldlinien angeben - Die Feldlinien geben an, wie sich geeignete Indikatoren an einer bestimmten Stelle des Feldes ausrichten würden, bzw. in welche Richtung sie sich bewegen würden. Feldlinien geben jedoch keine Auskunft darüber, wie stark das Feld an diesen Stelle ist. Versuche zur Messung kleiner Kräfte an Probeladungen beschreiben - Eine Metallplatte wird zwischen einen vertikalen Plattenkondensator gebracht An die Platten des Kondensators wird eine Hochspannung angelegt (Minuspol oben) Das Metallplättchen wird negativ geladen, wobei die Ladungen mit einem Ladungsmessgerät bestimmt werden. Das Plättchen ist über einen Isolator mit einer Waage verbunden © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 2 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX - Durch Ladung des Metallplättchens wird dieses nach unten gedrückt und drückt somit auch auf die Waage. Im Vergleich zum Ursprungszustand ergibt sich also eine scheinbare Massenveränderung Diese Massenveränderung wird in eine Gewichtskraft umgerechnet, sodass man von dieser auf die Kraftwirkung auf das Metallplättchen im elektrischen Feld schließen kann. Diese Versuche zur Bestätigung der Definitionsgleichung der elektrischen Feldstärke benutzen - - Bei unterschiedlichen Ladungen ergaben sich Messwerte für die Kraft, die in dem Moment auf den Indikator des elektrischen Feldes wirkten. Zeichnet man ein Grafik in der Kraft im Bezug auf die Ladung eingetragen wird, so ergibt sich eine Nullpunktgerade Daraus folgt: πΉππ ~ π πΉππ = π ∗π - π = - E ist die elektrische Feldstärke - πΈ = πΌππππππ‘ππ - πΉ ππ π =πΈ πΎ ππππ‘ Feldstärke und Richtung des elektrischen Feldes definieren und ihre Maßeinheit nennen πΎ ππππ‘ πΌππππππ‘ππ π (ππ€ π‘ππ ) = 1 πΆ(ππ’πππ π ) - πΈ= - πΈ - Die Richtung des elektrischen Feldes geht vom Plus- zum Minuspol Den Ortsfaktor als Feldstärke des Gravitationsfeldes deuten und bestimmen πΊ (πΊππ€ ππππ‘π πππππ‘ ) π (π ππ π π ) - π= - Der Ortsfaktor gibt also die Stärke des Gravitationsfeldes an, weil er das Verhältnis von Kraft pro Indikator wiedergibt. Die Kraft ist dabei die Gewichtskraft, die auf den Indikator Masse wirkt und den Gegenstand zum Erdmittelpunkt zieht - Indikatoren für die Feldstärkemessung eines magnetischen Feldes diskutieren - Der Indikator für das magnetische Feld ist eine Kompaßnadel. Allerdings eignet sich diese für die Messung einer Kraft im Magnetfeld nicht, da auch die Kompaßnadel 2 Pole hat und sich nicht bewegt, sondern sich nur ausrichtet. Da wir ja allerdings die Kraft nur auf bewegte Teilchen messen können, können wir dies durch Elektronenbewegung vornehmen, die zudem nur monopol sind. © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 3 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Die Bewegung einer Leiterschaukel im homogenen Magnetfeld voraussagen - - Die Bewegung einer Leiterschaukel im Magnetfeld ist durch die s.g. FBI-Regel definiert: Hält man den Daumen, Zeige- und Mittelfinger der linken Hand senkrecht zueinander, so zeigt: Daumen in Richtung der Elektronenflussrichtung (- nach +) Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes ( Nord- nach Südpol) So zeigt der Mittelfinger in Richtung der Kraftrichtung auf einen stromdurchflossenen Leiter. Die Kraft, die der Mittelfinger angibt ist die Kraft auf bewegte Elektronen: Lorentzkraft. Einen Versuch zur Bestimmung der magnetischen Flußdichte beschreiben, erläutern und auswerten - - - Leiterschaukelversuch. (Ein elektrisches Magnetfeld wird mit Hilfe von 4 Spulen errichtet. Zwischen dieses Magnetfeld wird ein Draht gehängt, der sich auf Wippe befindet, mit der die Gewichtskraft des Drahtes ausgeglichen werden kann. Außerdem ist der Draht zusätzlich mit einem Kraftmesser verbunden. Der Draht wird über eine Stromquelle mit verschiedenen Stromstärken durchflossen. Nach jeder Veränderung der Parameter muß die Wippe wieder waagerecht ausgerichtet werden, damit die Kraft abgelesen werden kann.) Man führt zwei Versuchsreihen durch. 1. Magnetfeld bleibt konstant, Drahtlänge bleibt konstant; Stromstärke wird verändert Somit kann man die Abhängigkeit der Kraft πΉ zur Stromstärke πΌ messen. 2. Magnetfeld bleibt konstant, Stromstärke bleibt konstant; Drahtlänge wird verändert. Somit kann man die Abhängigkeit der Kraft πΉ zur Drahtlänge π messen. Beim graphischen Auswerten fällt auf, dass πΉ~πΌ und πΉ~πist. Daraus lässt sich schließen, dass πΉ~πΌ∗ πist. Beim Einfügen einer Konstante k, die die Stärke des magnetischen Feldes angibt, πΉ π ist laut Definition die magnetische Flussdichte: π΅ = πΌ∗π mit π΅ = 1 ∗ π΄∗π = 1 π(ππ ππ) Den Verlauf von magnetischen Feldlinien eines Stromdurchflossenen Leiters beschreiben - Diesen Verlauf kann man mit der Linken-Faust Regel beschreiben (nicht zu verwechseln mit der FBI-Regel). Die Magnetfeldlinien um einen stromdurchflossenen, geraden Leiter sind kreisförmig angeordnet. Hält man den abgespreizten Daumen der linken Hand in Elektronenflußrichtung, (- nach +), So geben die zur geöffneten Faust gehaltenen Finger die Richtung der Magnetfeldlinien an. © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 4 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Den Verlauf der magnetischen Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule beschreiben und begründen - Wendet man dieses Verfahren bei einer stromdurchflossenen Spule an, so ergibt sich ein homogenes Magnetfeld. - + Die allgemeine Feldstruktur des magnetischen und elektrischen Feldes darlegen - - Magnetisches Feld: Magnetische Feldlinien zeigen außerhalb eines Festmagneten vom Nord- zum Südpol. Innerhalb eines Magneten haben sie die umgekehrte Richtung. Insgesamt sind die Magnetfeldlinien geschlossene Linien mit einheitlicher Richtung. Elektrisches Feld: Elektrische Felder fangen an einem Pol an und enden an dem gegenseitigen Punkt. Sie verlaufen vom + zum – Pol. © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 5 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Die Erzeugung von Elektronenstrahlen darlegen und beschreiben - Die Erzeugung von Elektronenstrahlen erfolgt durch eine Cathode Ray Tube (CRT). Hierbei wird ein Plattenkondensator so eingebaut, dass die beschleunigten Elektronen senkrecht zur Feldrichtung in das elektrische Feld eintreten. Zwischen den Platten befindet sich ein schräg gestellter Leuchtschirm, auf dem der Verlauf des Elektronenstrahls sichtbar wird. In dem hier gezeigten Bild sind die Deflecting coils gleichzusetzen mit einem Magneten. Die Vorgänge beim Eintritt eines Elektronenstrahls in einem Magnetfeld deuten. - Beim heranbringen eines Magneten an einen Elektronenstrahl, kann man die Ablenkung mit Hilfe der FBI-Regel (s. oben) voraussagen und nachvollziehen. (Daumen: Elektronenrichtung, Zeigefinger: Magnetfeld, Mittelfinger: Ablenkung = Kraftrichtung). Die Formel für die Lorentzkraft auf ein Elektron deduktiv entwickeln - Die Lorentzkraft für einen stromdurchflossenen Leiter ist: πΉπΏ = π΅ ∗ π∗ πΌ Da wir wissen, daß man die Stromstärke πΌ auch als πΌ= βπ βπ darstellen kann βπ‘ ∴ πΉπΏ = π΅ ∗ π∗ βπ‘ Des weiteren ist bekannt, daß die Ladung π eine bestimmte Anzahl von Elektronen darstellt, also π = π ∗π π ∗π ∴ πΉπΏ = π΅ ∗π∗ βπ‘ π΅ ∗π∗π∗π πΉπΏ = Die Stromstärke πΌ läßt sich aus der Ladungsmenge βπbestimmen, die in der βπ‘ Zeit βπ‘ die Drahtlänge πdurchläuft. ∴ πΉπΏ = π΅ ∗ π ∗ π ∗ π£ Für ein einzelnes Elektron gilt somit im homogenen Feld, wobei π΅ und π£ senkrecht zueinander sind: πΉπΏ = π΅ ∗ π ∗π£ Sind π΅ und π£ nicht senkrecht zueinander, so läßt sich die Lorentzkraft folgendermaßen berechnen: πΉπΏ = π΅ ∗π ∗ π£ ∗ sin(π΅, π£) © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 6 Lernzettel für die 1. Physikarbeit -FelderPHYSX Ziel und Prinzip des milikanschen Öltröpfchenversuchs nennen: - - In ein zwischen zwei Plattenkondensatoren vertikal gerichtetes elektrisches Feld versprüht man Öltröpfchen. Sie werden dabei durch Reibung schwach aufgeladen. Die Tröpfchen werden durch ein Mikroskop beobachtet. Legt man nun eine Spannung π an die Platten, so beobachtet man, dass einige Tröpfchen schneller, aber gleichförmig sinken, andere gleichförmig steigen. Nach Umpolen der Spannung kehren die Trößfchen ihre Bewegungsrichtung um. Man misst die Sinkgeschwindigkeit und die Steiggeschwindigkeit desselben Teilchens. Durch Verändern der Spannung kann auch erreicht werden, dass bestimmte Tröpfchen schweben. Bei der Auswertung sind die Gewichtskraft πΊ und die elektrische Kraft πΉ im Gleichgewicht. Daraus kann man die Elementarladung π mit Hilfe des Stokes’schen Reibungsgesetzes ausrechnen. Die Überführungsarbeit von Ladungen im elektrischen Feld bestimmen - In ein elektrisches Feld wird eine Ladung gebracht. Die Arbeit, die das elektrische Feld verrichten muß, um diese Ladung vom einem zum Anderen Pol zu bringen wird beschrieben durch: π ππ = πΉππ ∗ π, wobei π der Abstand der beiden Plattenkondensatoren ist. Spannung als Überführungsarbeit pro Ladung im elektrischen Feld definieren - Die elektrische Spannung kann auch definiert werden, als Arbeit, die an einer Ladung verrichtet wird: π = βπ βπ Die Gleichung zur Feldstärkenbestimmung im homogenen Feld eines Plattenkondensators aus Spannung und Plattenabstand herleiten und die Bedeutung der Gleichung erläutern - - An einer Ladung, die in einem homogenen elektrischen Feld bewegt wird, wird elektrische Arbeit verrichtet π ππ = πΉππ ∗ π Gleichzeitig muss die Spannungsquelle die Ladung, die transportiert wurde auch wieder ausgleichen. Die Arbeit der Spannungsquelle ist definiert durch: π ππππππ’πππ ππ’ππππ = π ∗ πΌ∗π‘ Wobei π ∗πΌ= πΏπππ π‘π’ππ , also in der allgemeinen Form als: π΄πππππ‘ = πΏπππ π‘π’ππ ∗ ππππ‘ Da die Arbeit, die verrichtet werden muss, um den „alten Zustand“, also den Zustand vor der Ladungsverschiebung wieder hergestellt werden muss, gilt: π ππ = π ππ - πΉππ ∗ π = π ∗ πΌ∗ π‘ , da aber πΌ= - π ∗π‘ βπ βπ‘ und πΉππ = πΈ ∗ π - ∴ πΈ ∗π ∗π = π ∗π‘ - πΈ ∗π ∗π = π ∗π πΈ ∗π = π - πΈ= - Daraus läßt sich schließen, daß je größer der Abstand der Kondensatorplatten ist, desto größer muss auch die Spannung sein. Deshalb ist π~π. π π © by Stefan Pielsticker und Hendrik-Jörn Günther 7
