Wahlpflichtfach 2
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-1- Vorl. #16 (1. Juli 2010) Physik für Mediziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten SS2010 Ladung: - die Ladung Q kann positv oder negativ sein. - sie besteht aus Elementarladungen: Q = Nq , mit q: Elementarladung, q1 q 2 4πεε 0 r 2 r r V.1.b elektrisches Feld: Kraft auf eine Ladung in einem elektr. Feld F = qE das elektrische Feld rührt also von allen anderen Ladungen her. Feldlinien einer Punktladung Also: Ladungen bewirken ein elektrisches Feld, welches die Kraft auf eine ANDERE Ladung bestimmt r r r V.1.c elektrisches Potential: E (x ) = - Steigung von Φ am Ort x Potentialbild einer Punktladung, Äquipotentialflächen VGL mit Berg: Äquipotentialflächen entsprechen den Höhenlinien el. Spannung = Potentialunterschied U = Φ(2) - Φ(1) VGL mit Berg: el. Spannung entspricht Höhenunterschied V.1.a Coulomb-Kraft: Kraft zwischen zwei Punktladungen: Betrag: F = Beispiel: Kraft zwischen zwei Ladungen q1 und q2 A) gesucht wird die Kraft auf die Ladung q1 aufgrund der Ladung q2 Potential und Feld der Ladung q2, gesucht Kraft auf Ladung q1 q2 r 1 q2 Φ( x ) = ↔ E= 4πεε 0 r 4πεε 0 r 2 q1 q 2 F = q1 E ⇒ F= 4πεε 0 r 2 B) gesucht wird die Kraft auf die Ladung q2 aufgrund der Ladung q1 Potential und Feld der Ladung q1, gesucht Kraft auf Ladung q2 q1 r 1 q1 Φ( x ) = ↔ E= 4πεε 0 r 4πεε 0 r 2 q1 q 2 F = q2 E ⇒ F= 4πεε 0 r 2 V.1.d der Plattenkondensator Kondensator: zwei elektrisch getrennte Flächen mit Ladungen +Q und -Q Plattenkondensator: die zwei Flächen sind zwei grosse naheliegende Platten Versuch: Feldlinienexperiment Beobachtung: homogenes elektrisches Feld im Inneren, Streufelder weit entfernt Schlussfolgerungen: homogenes E-Feld ⇒ elektrisches Potential ist Φ ( x) = − Ex + Φ ( x0 ) BILD zeichnen BILD zeichnen -2- Vorl. #16 (1. Juli 2010) ⇒ Potentialdifferenz an den zwei Platten U = Φ (0) − Φ (d ) = E (0 + d ) = Ed U ⇒ E= d Versuch: Kondensator mit Sonde, verschiebbarer Kondensator Frage: Wieviel Ladung ist auf jeder Platte des Kondensators? Definition: für jeden Beliebigen Kondensator lässt sich eine Kapazität definieren Q = CU C: Kapazität des Kondensators für den Plattenkondensator gilt A C = εε 0 d A: Fläche einer Platte d: Abstand derPlatten Bemerkungen: - ein Kondensator ist also ein "Bauteil" um Ladungen zu speichern - der Betrag der Ladung auf jeder Platte ist Q, der LadungsUNTERSCHIED zwischen beiden Platten ist also 2Q! Energie eines geladenen Kondensators 1 1 E = QU = CU 2 2 2 Versuch: Kondensator mit Motor Frage: wie wird ein Kondensator aufgeladen? wir kommen später nochmals auf den Kondensator zurück V.1.e Isolatoren im elektrischen Feld was ist ein Isolator? jedes Material besteht aus Atomrümpfen und Elektronen in Isolatoren sind die Elektronen NICHT frei beweglich, d.h., sie können sich zwar etwas von den Atomrümpfen wegbewegen, erfahren dann jedoch eine anziehende Kraft und werden so quasi vom Atomrumpf "festgehalten". Man spricht von gebundenen Elektronen/Ladungen. Die Wirkung eines el. Feldes ist nun diese: E-Feld ⇒ Kräfte auf Ladungen ⇒ die gebundene Ladungen verschieben sich ein bisschen gegenüber ihren Atomrümpfen ⇒ am Rand entstehen Oberflächenladungen welche das elektrische Feld IM Material verändern Polarisation: Den Unterschied zwischen dem E-Feld wie es ohne Material herrschen würde, und dem tatsächlich im Material herrschenden E-Feld nennt man Polarisation -3r r r E = E ohne Material − P Definition: Dieelektrizitätskonstante r r E ohne Material = εE Bemerkungen: - ε grösser ↔ E-Feld in Material kleiner als das aussen angelegte Feld - die Kapazität C = εε 0 A / d ändert sich (wird meistens grösser) Versuch: Dieelektrikum in Kondensator Vakuum, Luft ε = 1 Gummi ca 2-3 Plexiglass ca 3-4 Glass ca. 5-8 Bariumtitanat 20000 PVC < Gummi < Fell < Glass neg -> pos Reibungsversuch Versuch: Reibestab an Elektrometer, Folie auf Plexiglassscheibe zum Abschluss dieses Unterkapitels, Demonstration der Faraday-Kraft Versuch: stehende Haare Vorl. #16 (1. Juli 2010)
