Vorlesung 3
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1 Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien I Feld zwischen zwei Punktladungen (pos. und neg.) + + - - Grieskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine Dipole werden, richten sie sich entlang der Feldlinien aus (Die Spannung zwischen + und – beträgt hier 10000V). + - Schematische Darstellung der el. Feldlinien zwischen zwei gleichgroßen, entgegengesetzten Ladungen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 2 Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien II (Feld einer Punktladung) ++ + -- + - - Grieskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine Dipole werden, richten sie sich entlang der Feldlinien aus (Die Spannung zwischen + und – beträgt hier 10000V). + Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin - Caren Hagner V3 11.5.2007 3 Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien III (Faraday Käfig) + + - - Grieskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine Dipole werden, richten sie sich entlang der Feldlinien aus (Die Spannung zwischen + und – beträgt hier 10000V). Kein Feld in Inneren des Metallrings! Der Ring wirkt als Faraday-Käfig und schirmt das elektrische Feld ab. + - Kein el. Feld im Inneren des Rings = Faradayscher Käfig Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 4 Wiederholung: Elektrisches Feld und Feldlinien IV (Plattenkondensator) + Zwischen zwei Platten herrscht ein homogenes elektrisches Feld. (d.h. Feld ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche Richtung). Im Randbereich ist das elektrische Feld inhomogen Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 5 Potenzielle Energie und Arbeit im elektrischen Feld Wichtig: Die Arbeit die nötig ist um q von A nach B zu bringen, hängt nicht vom gewählten Weg ab! Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 6 Potenzialdifferenz = Spannung (immer zwischen zwei Punkten!) Die Spannung zwischen zwei Punkten wird aus der Arbeit berechnet die nötig ist, um eine Testladung q von einem zum anderen Punkt zu bringen. Einheit der Spannung (Potentialdifferenz): Oft wählt man irgendeinen Punkt als Nullpunkt (Referenzpunkt). Die Spannung relativ zu diesem Punkt nennt man Potenzial Φ. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 7 Beispiel: Plattenkondensator (homogenes elektrisches Feld zwischen den Platten) - + Um ein Elektron von der positiven Platte auf die negative Platte zu bringen benötigt man die Arbeit: Die Feldstärke zwischen den Platten ist d = 10 cm U = 1000V Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Die Kraft auf das Elektron ist Caren Hagner V3 11.5.2007 8 Kondensator und Kapazität Kondensator: Kapazität C: d U Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 9 Kondensatoren Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Kondensatorschaden! Caren Hagner V3 11.5.2007 10 Versuch: Änderung des Plattenabstands eines Plattenkondensators Spannung zwischen den Platten 1000V. Ladung auf den Platten wird gemessen. Verdoppelt man den Abstand der Platten (dann wird C halbiert) und lässt die Spannung konstant, dann halbiert sich die Ladung (wegen C=Q/U). Kapazität eines Plattenkondensators: A C = ε0 ⋅ d Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 11 Versuch: Plattenkondensator mit Dielektrikum Messung der Ladung Dielektrikum (hier: Plexiglas) Spannungsversorgung Die Spannung wird konstant gehalten. Beim Einschieben des Dielektrikums nimmt die Ladung auf den Platten zu. -> Die Kapazität des Kondensators nimmt zu! Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 12 Versuch: Plattenkondensator mit Dielektrikum Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 13 Kondensator mit Dielektrikum + + + + + + + + - + + + - + + - + - + - Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 14 Zusammenfassung: Q C= U Kapazität: +Q -Q Einheit 1 Farad, 1 F = 1 C/V Kapazität eines Plattenkondensators: Fläche A A C = ε0 ⋅ d d U Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 15 Mit Dielektrikum: Q C= U Kapazität: +Q -Q Einheit 1 Farad, 1 F = 1 C/V Kapazität eines Plattenkondensators: Fläche A A C = ε 0ε ⋅ d ε Dielektrizitätskonstante ε (Permittivität): d U Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Vakuum Luft Plexiglas Glas Wasser 1 1.00059 3.40 5-10 80 Caren Hagner V3 11.5.2007 16 5.2. Elektrodynamik (bewegte Ladungen) q v (Herleitung sh. Lehrbuch) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 17 Stromwirkungen: Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 18 Versuch: leuchtende Gurke (Wie wirkt Strom auf biologisches/organisches Material?) http://www.physnet.uni-hamburg.de/ex/html/versuche/elmag/E06_14/e06_14.mpg (Video dazu) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 19 5.2.2 Elektrischer Widerstand (manchmal verwendet man auch den Leitwert G = I/U mit Einheit 1 Siemens) Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 20 Strom – Spannungs – Kennlinie Dargestellt sind Beispiele wie Kennlinien von Objekten aussehen können. Nächstes Mal werden diese Kurven gemessen, dann wird auch der Verlauf genauer erklärt. Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 21 Leitungsmechanismen für elektrischen Strom: Bei höherer Temperatur, mehr Stöße am Gitter → größerer Widerstand Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 22 Leitungsmechanismen für elektrischen Strom: Ge Ge Ge Ge Ge Sehr stabile Struktur, alle Elektronen werden für Bindungen benötigt, Bei höherer Temperatur werden Elektronen aus Bindungen gelöst, Der elektrische Widerstand sinkt bei höherer Temperatur Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007 23 Leitungsmechanismen für elektrischen Strom: (Details sh. Faraday Gesetze) Widerstand entsteht durch Viskosität der Flüssigkeit Experimentalphysik I/II für Studierende der Medizin Caren Hagner V3 11.5.2007
