Elektrisches Feld

Elektrisches Feld
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1. a) Was versteht man unter einem elektrischen Feld ?
b) Zwei Metallplatten, die mit der Ladung + Q bzw. − Q aufgeladen
sind, stehen sich parallel gegenüber.
Zeichne das Feldlinienbild ein.
c) Nenne zwei Eigenschaften eines homogenen elektrischen Feldes.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung
a) Unter einem elektrischen Feld versteht man ein Raumgebiet, in dem auf elektrisch geladene
Körper Kräfte wirken.
b)
c) Die Feldinien sind parallel und die Krft auf einen (bestimmten) geladenen Körper ist an
jeder Stelle gleich groß.
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2. Ein mit einer Graphitschicht überzogener Tischtennisball befindet sich an
einem Faden aufgehängt im elektrischen Feld eines Plattenkondensators.
Der Ball wird mit der positiv aufgeladen Platte in Kontakt gebracht und
dann losgelassen.
a) Beschreibe die weitere Bewegung des Tischtennisballes und begründe sie.
b) Wie ändert sich das Feld des Plattenkondensators im Laufe der Zeit? Begründe!
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung
a) Der Tischtennisball pendelt zwischen den geladenen Platten des Kondensators in und her.
Erklärung:
Der Ball lädt sich beim Berühren der positiv geladenen Platte positiv auf, wird von der
Platte abgestoßen und vom elektrischen Feld zur negativ geladen Platte hin bewegt.
Dort angelangt gibt er seine positive Ladung ab und lädt sich negativ auf usw.
b) Das Feld des Plattenkondensators wird immer schwächer.
Begründung:
Der Tischtennisball transportiert positive Ladung zur negativ geladenen Platte und umgekehrt und der Kondensator wird so entladen.
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Magnetfeld
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1. a) Was versteht man unter einem magnetischen Feld?
b) Wie lässt sich die Struktur eines Magnetfelds veranschaulichen?
c) Was zeigen die Feldlinien eines Magneten an?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung
a) Unter einem magnetischen Feld versteht man ein Raumgebiet, in dem auf Magnete bzw.
ferromagnetische Soffe Kräfte wirken.
b) Die Struktur eines Magnetfelds lässt sich durch kleine Kompassnadeln bzw. Eisenfeilspäne veranschaulichen, die sich entlang er Feldlinien es Magentfelds ausrichten.
c) Die Feldlinien geben die Richtung an, in die sich eine Kompassnadel ausrichtet.
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2. Wie schaut das Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters aus?
Wie ermittelt man seine Richtung?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung
Die Feldlinien des Magnetfeldes eines geraden, stromdurchflossenen Leiters sind konzentrische Kreise senkrecht zum Leiter.
Rechte-Hand-Regel:
Zeigt der Daumen der rechten Hand in technische Stromrichtung, dann zeigen die gekrümmten Finger in Richtung des magnetischen Feldes.
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3. a) Übertrage das nebenstehende Schnittbild einer Spule aufs
Papier und zeichne die magnetischen Feldlinien ein.
b) Zeichne den Nord- und Südpol der Spule ein und begründe
dein Vorgehen.
c) Wie verlaufen die Feldlinien im Inneren der Spule?
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Lösung
a)
b) Die Feldnien verlaufen vom Nnord zum Südpol.
c) Das Feld im Innern einer stromdurchflossenen Spule ist nahezu homogen. Die Feldnien
sind annähernd parallel.
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Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
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1. a) In der nebenstehenden Skizze sieht man eine drehbar gelagerte Leiterschleife zwischen den Polen eines Dauermagneten.
Gib die Drehrichtung der Leiterschleife an und begründe deine Antwort.
b) Warum würde sich bei gleichbleibender Polung die Leiterschleife nicht fortwährend drehen ? In welcher Stellung der Schleife muss umgepolt werden?
c) Durch welche Maßnahme wird in der Regel ein "automatisches" Umpolen der Leiterschleife erreicht?
d) Testet man die in Teilaufgabe c) vorgeschlagene Anordnung in einem Realversuch, so
wird sich die Leiterschleife in der Regel nicht in Bewegung setzten.
Gib hierfür eine Vermutung an und mache einen Vorschlag, wie die Anordnung abzuändern ist, damit es zu einer Rotation kommt.
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a) Die Leiterschleife dreht ich gegen den Uhrzeigersinn.
UVW-Regel!
b) Befindet sich das Leiterstück, das mit dem Pluspol verbunden ist, näher beim Südpol, dann
dreht die Kraft im Uhrzeigersinn.
Es muss umgepolt werden, wenn die Leiterschleife senkrecht zu den Fellinien steht und die
Kraft auf die Leiterstücke verschwindet (toter Punkt).
c) Die Stromzufuhr geschieht durch Kohlebürsten, die an einem geschlitzten Eisenring gleiten (Kommutator).
d) Die Kraftwirkung auf eine einzige Leiterschleife ist zu gering und es gilt den toten Punkt
zu überwinden.
Diese Schwierigkeiten kann man durch mehrere Leiterschleifen, die eine Spule bilden, und
eine Schwungmasse z.B. einen Doppel-T-Anker erreichen.
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2. Um die Bahnen von kleinsten Teilchen zu beobachten, kann eine
Nebelkammer eingesetzt werden (hier als Rechteck dargestellt).
Ein Magnetfeld durchdringt die ganze Nebelkammer und es steht
senkrecht auf dem Rechteckfeld.
Drei verschiedene Teilchen A, B und C werden senkrecht zur Magnetfeldrichtung in die
Nebelkammer eingeschossen.
Zeichne jeweils die auf das Teilchen wirkende Kraft ein und gib seine Ladungsart an. Wie
heißt diese Kraft? Kurze Begründung mitliefern!
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Lösung
Das Teilchen B ist ungeladen, weil es nicht abgelenkt wird.
Das Teilchen A ist positiv geladen und Teilchen C ist negativ geladen.
Die Kräfte , die auf die Teilchen wirken, zeigen immer zum Mittelpunkt ihrer Kreisbahn hin.
Jede dieser Kräfte ist eine Lorentzkraft.
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Induktion
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Übungen zur Induktion
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1. In der nebenstehenden Schaltung wird die Spule vom Magneten
herausgehoben.
Welche Beobachtung kann man machen ?
Gib eine Erklärung.
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Lösung
Beobachtung:
Das Amperemter schlägt aus.
Begründung:
Das Magnetfeld in der Spule ändert sich, so dass nach dem Induktionsprinzip zwischen ihren
En-den eine Spannung induziert wird.
Da beide Enden über das Amperemeter miteinander verbunden sind, fließt elektrischer Strom.
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2. Eine Spule mit Schalter ist so an Schnüren angebracht,
dass sie mit ihrer Öffnung in die Öffnung eines Hufeisenmagneten pendeln kann.
Der Schalter wird geschlossen und die Spule zum Pendeln gebracht. Erkläre, was man beobachten kann.
Der Schalter wird nun geöffnet und die Spule wieder
zum Pendeln gebracht.
Erklären was man beobachten kann.
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Geschlossener Schalter:
Die Pendelbewegung der Spule nimmt ab.
Da sich das Magnetfeld in der Spule ständig ändert, wird zwischen ihren Enden eine Spannung induziert. Weil der Schalter geschlossen ist, fließt ein Induktionsstrom.
Nach der Lenzschen Regel fließt dieser so, dass er seiner Ursache entgegenwirkt.
Das Magnetfeld der Spule ist deshalb so gerichtet, dass die Spule bei der Hinbewegung zum
Magnet abgestoßen und bei der Wegbewegung angezogen wird.
Dadurch verlangsamt sich die Pendelbewegung.
Offener Schalter:
Es fließt kein Induktionsstrom und die Pendelbewegung der Spule wird nicht behindert.
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