Elektrische Erscheinungen Elektrische Geräte

Warum?
Elektrizitätslehre
• Elektrische Erscheinungen in lebender
Materie: Ruhepotential, Aktionspotential,
EKG, EMG… U
t
U
t
• Elektrische Geräte in der ärztlichen Praxis:
EKG, EMG, Ultraschall, Defibrillator, CT,
NMR, Wärmetherapie…
Elektrische Erscheinungen
Reibungselektrizität
Entladung
Elektrische Geräte
In Haushalt
In Medizin
Bioelektrische Erscheinungen
Aktionspotential
Ladung: eine wesentliche Eigenschaft der Materie
(wie z.B. die Masse)
Elementarteilchen:
Proton Neutron Elektron
+
0
Elementarladung: Ladung des Protons
Das Elektron hat -1 Elementarladung.
SI Einheit der Ladung ist Coulomb (C)
1 Elementarladung = 1.6 ·10-19 C
Wie groß ist die Ladung von einem Mol Elektronen? (Faraday Konstante)
Makroskopische Objekte sind im Grundzustand
neutral: gleich viele positive und negative Ladungen.
Be
geladene Körper = Makroskopische Ladungen
Positive Ladung: Elektronenmangel
Negative Ladung: Elektronenüberschuss
Leitung:
eine der elektrischen Grundeigenschaften der Körper:
Leiter: bewegbare Ladungen (z.B. Metalle)
Isolator: unbewegbare Ladungen (z.B. Kunststoff)
Rechenaufgabe: Eine Kupferkugel besitzt eine Ladung von +2,5 μC.
Wie viele Elektronen fehlen der Kugel?
Wie groß ist die Ladung von einem Mol Elektronen?
(Faraday Konstante)
Wechselwirkung zwischen den Ladungen
Wechselwirkung zwischen den Ladungen
Qualitativ:
Quantitativ: die Kraft zwischen der Ladungen Q1
und Q2, die voneinander im Abstand r liegen
beträgt:
F
F
F
F=
F
1 Q1Q2
4πε 0 r 2
oder
F =k
Q1Q2
r2
e0 = elektrische Feldkonstante
F
F
e0 = 8.85 ·10-12
κ =
9·109
Nm 2
C2
C2
Nm 2
Bemerkung: Newton III !
Influenz:
Eine Konsequenz der Ladungsanziehung
Gesetz von der Erhaltung der
Ladung
In einem abgeschlossenem System bleibt die
Gesamtladung erhalten
Na
Na+ + e _
Mehrere Ladungen
Elektrische Feldstärke
F
Die Kräfte addieren sich als Vektorgrößen.
F
FB
QA
q
FA
Probeladung q
Resultierende Kraft F
Alle Kräfte sind proportional
Zur q. => F/q hängt nur von
der Größe und Anordnung der
Ladungen an, die auf q
mit der Kraft F wirken.
Elektrische Feldstärke
QB
Charakterisierung des elektrischen Feldes mit der
Feldstärke und seiner Veranschaulichung mit Hilfe
der Feldlinien
(Vektorgröße, Ortabhängig)
E
Feldlinien stammen
aus der positiven
Ladung und
enden in der
negativen
Ladung
QA
r
r F
E=
q
Feldlinien:
Richtung = Richtung der Feldstärke
Dichte => Betrag der Feldstärke
Elektrisches Feld der Punktladung:
q
QB
⎡N ⎤
⎢⎣ C ⎥⎦
Feldlinien
beginnen und enden in Ladungen (oder ∞)
Richtung: von + nach –
Richtung = Richtung der Kraft (+ Ladung!)
Dichte d. Feldlinien ~
Grösse der Kraft
Feldlinien an Leiteroberfläche:
Senkrecht!
Typische Ladungsanordnungen:
Punktladung:
(Radialfeld)
Dipol
Typische Ladungsanordnungen:
Q
Geladene Ebene
Kondensator
(Homogenes Feld)
+Q
-Q
Energieumwandlung (Arbeit) im elektrischen Feld
Energieumwandlung (Arbeit) im elektrischen Feld
Bewegung einer Ladung gegen die Feldstärke:
Bewegung einer Ladung schräg zu den Feldlinien:
E
Endposition
s
s
g
Anfangsposition
r
r
FHub = − Fq
W = FHub s
FHub = Eq
E
g
W = FHub s cos α
FHub = Eq
W = qEs
r
r
FHub = − Fq
W = qEs cos α
W ist unabhängig vom Weg!
Energieumwandlung (Arbeit) im elektrischen Feld
Bewegung einer Ladung senkrecht zu den Feldlinien:
s1
s
s
E
g
s2
W = FHub s cos α = 0
α = 90°
cos α = 0
α
E
E
s3
α
W = ΔE Pot