Physik I Übung 9

Physik I
Übung 9
Stefan Reutter
Moritz Kütt
Franz Fujara
SoSe 2012
Aufgabe 1 Diskussion: Faraday Käfig
Was bewirkt ein Faraday-Käfig? Wie genau funktioniert er noch mal? Welche technischen Anwendungen gibt es? Und andersherum: Gibt es Probleme bei technischen Anwendungen, die
durch den einen solchen Käfig verursacht werden?
Aufgabe 2 Diskussion: Kondensatoren Schalten
a) In einem Schaltkreis können Kondensatoren entweder parallel oder in Serie geschaltet werden. Erkläre wie sich jeweils die Gesamtkapazität der Kondensatoren in einer solchen Schaltung
verändert wenn man den zweiten Kondensator einbaut aber die Spannung konstant hält.
b) Kann Gleichstrom (konstante Spannung angelegt) durch einen Kondensator fließen? Kann es
Wechselstrom?
Aufgabe 3 Diskussion: Kondensatoren Bauen
a) Man kann die Kapazität eines Schaltkreises erhöhen, indem man die Oberfläche eines Kondensators vergrößert, oder indem man mehrere Kondensatoren zusammenschaltet (siehe Aufgabe 2). Was sind jeweils Vor- und Nachteile der beiden Herangehensweisen?
b) Warum kann es u.U. Sinn machen, einen Kondensator rund und nicht eckig zu bauen?
Aufgabe 4 Schwebeplatte
Für einen Zaubertrick nutzt Arbadak Arba zwei quadratische Kupferplatten mit der gleichen
Fläche A = 1 m2 und der Dicke d = 1 mm. Die Platten sind waagerecht angeordnet, die obere
Platte ist befestigt, aber unsichtbar für das Publikum. Die untere Platte liegt zunächst auf dem
Tisch des Zauberers. Der Abstand zwischen den beiden Platten beträgt z = 10 cm.
Man kann beide Platten als Kondensator betrachten. Arbadak hat eine Spannungsquelle, die er
an den Kondensator anschließt. Anschließend hebt er die untere Platte exakt um 1 cm an. Die
Platte schwebt nun genau in dieser Lage.
a) Welche Spannung hatte seine Spannungsquelle?
b) Prüfe, ob die Lage ein stabiles Gleichgewicht darstellt.
As
Hinweis: ρKup f er = 8.91 g/cm3 und "0 = 8.85 × 10−12 Vm
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Aufgabe 5 Felder, Felder, Felder
Berechne das Feld für das Innere und das Äußere einer homogen geladenen Kugel mit der
Ladung Q und Radius R.
Hinweis: Die Ladungen befinden sich tatsächlich gleichmäßig über das gesamte Kugelvolumen
verteilt (offensichtlich kein Leiter).
Aufgabe 6 Was hat Milikan gemacht
Den Milikan-Versuch natürlich! Dazu hatte er zunächst einen horizontalen Plattenkondensator
(d = 6 mm, U = 200 V). In das Feld des Plattenkondensators kann man nun ein Öltröpfchen geben, welches die Dichte ρ = 0.95g/cm3 hat. Das Öltröpfchen kann man von der Seite beobachten. In der Luft werden Bewegungen des Tröpfchens durch Stokesche Reibung (F r = −6πηr v
beeinflusst. Nach kurzer Beschleunigungsphase (vernachlässigen) kann man eine gleichförmige
Bewegung des Tröpfchens feststellen. Das Tröpfchen steigt in 25 s um 1 mm. Bei umgepoltem
Feld bewegt es sich abwärts, benötigt für einen Millimeter diesmal jedoch nur 12 s.
Berechne Ladung und Radius des Tröpfchens!
kg
Hinweis: Für Luft sei η = 1.82 × 10−5 m · s
Aufgabe 7 Vier Ladungen
In jedem der vier Eckpunkte eines Quadrates befinde sich eine punktförmige Ladung q = 2 ×
109 C. Um zu verhindern, dass diese Ladungen sich aufgrund der abstoßenden Coulombkraft
voneinander entfernen, wird in die Mitte des Quadrates eine negative Ladung Q positioniert,
die die vier Ladungen der Eckpunkte anzieht. Wie groß muss die Ladung Q sein, damit sich die
anziehenden und die abstoßenden Kräfte genau derart die Waage halten, dass alle Ladungen
kräftefrei an ihren Orten bleiben?
Aufgabe 8 Energiedichte des Feldes
Eine Kugel mit einem Radius R = 10cm werde mit einer elektrischen Ladung von Q = 109 C
aufgeladen und erfüllt dadurch den sie umgebenden Raum mit einem elektrostatischen Feld.
Berechne die Gesamtenergie, die dieses Feld im Außenraum der Kugel enthält.
Hinweis: Die Energiedichte eines Feldes wird beschrieben durch u = 12 "0 E 2 .
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