Übungen zu Experimentalphysik 2 - SS 14

Physik Department, Technische Universität München, PD Dr. W. Schindler
Übungen zu Experimentalphysik 2 - SS 14
Übungsblatt 1
1. Elektrische Ladung
Wie groß ist die Gesamtladung aller Elektronen in einen Aluminiumblock (Ordnungszahl Z = 13) mit
der Masse m = 0.1 kg? Ein Mol Aluminium hat eine Masse von 27 g.
(Avogadrokonstante: NA = 6.022 × 1023 mol−1 , Elementarladung: e = 1.6 × 10−19 C)
2. Elektrostatik und Gravitation im Wasserstoffatom
1 q1 q2
für die Kraft, die zwei geladene Teilchen aufeinander ausüben, hat
Das Coulombgesetz FC = 4π
2
0 r
2
formal die gleiche Struktur wie das Gravitationsgesetz FG = −G mr1 m
.
2
(a) Berechnen Sie die elektrostatische Kraft und die Gravitationskraft, die Proton und Elektron im
Wasserstoffatom aufeinander ausüben. Der mittlere Abstand zwischen Proton und Elektron beträgt
dort ungefähr 5.29 × 10−11 m.
(Permittivität: 0 = 8.85 × 10−12 A s V−1 m−1 , Gravitationskonstante: G = 6.7 × 10−11 m kg−1 s−2 ,
Elektronenmasse: me = 9.11 × 10−31 kg, Protonenmasse: mp = 1.67 × 10−27 kg)
(b) Welche Masse müssten zwei Elektronen haben, damit die Gravitationskraft zwischen ihnen betragsmäßig gleich der elektrostatischen Abstoßung wäre?
3. Ladungen im Koordinatensystem
In einem kartesischen Koordinatensystem befinde sich am Punkt A (0 cm; 0 cm) eine Punktladung Q1 =
+3 µC. Am Punkt B (5 cm; 0 cm) sei eine Punktladung Q2 = −8 µC.
(a) Wie groß ist die Kraft, die Q1 auf Q2 ausübt?
(b) Ladung Q1 werde von A (0 cm; 0 cm) nach C (3 cm; 0 cm) verschoben. Welche Arbeit ist dafür
nötig?
(c) Ladung Q1 werde von A (0 cm; 0 cm) nach D (0 cm; 4 cm) verschoben. Welche Arbeit ist dafür
nötig?
(d) Eine Punktladung Q3 = +7 µC wird zusätzlich in das System (Konfiguration nach Ausführung der
Bewegung in (c)) eingebracht. In welchem Abstand von Q2 muss die Ladung angebracht werden,
damit Q2 am selben Ort bleibt?
4. Geladene Hohlkugel
Gegeben sei eine metallische dünnwandige Hohlkugel mit dem Radius R und der Ladung Q.
(a) Berechnen Sie das elektrische Feld innerhalb und außerhalb der Hohlkugel.
(b) Wie groß ist das Potential ϕ (r), wenn ϕ (∞) = 0?
(c) Wieso wählt man als Bezugspunkt für das Potential ϕ(∞) = 0 und nicht ϕ(0) = 0?
5. Der Plattenkondensator
Ein Plattenkondensator mit quadratischen Platten der Kantenlänge s = 16 cm und dem Plattenabstand
d1 = 25 mm wird an eine Gleichspannungsquelle mit U1 = 80 V angeschlossen. Nachdem der Kondensator
geladen wurde, wird er von der Spannungsquelle getrennt.
(a) Berechnen Sie die Ladung Q1 auf einer Kondensatorplatte und die elektrische Feldstärke E1 im
Raum zwischen den Platten.
(b) Wie groß ist die Spannung zwischen den Platten, wenn der Abstand auf d2 = 40 mm vergrößert
wird?
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