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Überblick Physik - kurz vor dem Abi Teil II: E- und B-Felder Erstellt von J. Rudolf Überarbeitet von H.Brehm.

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Präsentation zum Thema: "Überblick Physik - kurz vor dem Abi Teil II: E- und B-Felder Erstellt von J. Rudolf Überarbeitet von H.Brehm."—  Präsentation transkript:

1 Überblick Physik - kurz vor dem Abi Teil II: E- und B-Felder Erstellt von J. Rudolf Überarbeitet von H.Brehm

2 Inhalt Kurzer Überblick über Gleichstrom Elektrisches Feld Magnetisches Feld Teilchen in E- und B-Feldern

3 Gleichstrom Ladung Q (Einheit Coulomb) Stromstärke I (Einheit Ampere) El. Arbeit W (Einheit Joule=1Ws=1VAs) El.Leistung P (Einheit Watt=1VA) Elektr.Widerstand R Ohmsches Gesetz Widerstand eines Drahtes Reihenschaltung Parallelschaltung Reihenschaltung Strom ist überall gleich Spannung teilt sich auf Spannungsabfall an den einzelnen Widerständen U=R*I ges Parallelschaltung Spannung ist gleich Strom teilt sich auf I=U ges /R

4 E-Feld (1) Einführung des E-Feldes Feldlinienbilder Geladenes Kügelchen (Pendel) zwischen Kondensatorplatten: Skizze mit Kräften: G und F el F el ~ s (bei kl. Winkeln) s~q F ~ q => E als Proportionalitätsfaktor E unabhängig von Probeladung: E = F/q

5 E-Feld (2) Einführung der Spannung Arbeit = Kraft mal Weg im homogenen Feld: W = F el d = q E d Somit: W ~ q Allgemeine Beobachtung: W ~ q U als Proportionalitätsfaktor U unabhängig von Probeladung: U = W/q Bedeutung Maß der Energie entsteht durch Ladungstrennung

6 Potenzial

7 Gravitationsfeld –elektr. Feld Hier nachschauen

8 E-Feld (3) Flächendichte σ = Ladung pro Fläche Löffel-Experiment im Kondensator bei höheren Spannung mehr Ladung auf Löffel... => σ ~ E => Ladungen sind Quellen des Feldes Einführung der el. Feldkonstante ε 0 = σ/E Bedeutung: pro Ladung entsteht eine bestimmte Anzahl von Feldlinien Ladungen dicht gepackt = hohe Flächenladungsdichte starkes E-Feld

9 E-Feld (4) Einführung der Kapazität Kondensator Q ~ U C als Proportionalitätsfaktor C unabhängig von U: C = Q/U (Einheit Farad) Bedeutung: Ladungsmenge auf Kondensator pro Volt angelegter Spannung Herleitung der Formel beim Plattenkondensator C = Q/U = σ A / (E d) = ε 0 E A / (E d) = ε 0 A / d Berücksichtigung des Mediums Erklären: Hineinschieben eines Dielektrikums z. B.: Q = const. aber U Verschiebungspolarisation: E-Feld wird abgeschirmt...

10 E-Feld (5) Reihenschaltung (vgl. Wasserfall) Ströme, Ladungen gleich (Wassermenge) Spannungen addieren (Fallhöhe) Widerstände: U = U 1 + U 2 = R 1 I + R 2 I = (R 1 + R 2 ) I Kondensatoren: U = U 1 + U 2 = Q/C 1 + Q/C 2 = Q (1/C 1 + 1/C 2 ) Parallelschaltung Ströme, Ladungen addieren (Wassermenge) Spannungen gleich (Fallhöhe) Widerstände: I = I 1 + I 2 =U/R 1 + U/R 2 = U (1/R 1 + 1/R 2 ) I Kondensatoren: Q = Q 1 + Q 2 = C 1 U+ C 2 U= (C 1 + C 2 ) U

11 E-Feld (7) Kondensator - Aufladung – Entladung über einen Widerstand Beschreiben - erklären: Ladung/Strom/ Spannungsverlauf Energie des elektr. Feldes

12 B-Feld (1) Einführung von B Leiterschleife hängt in großer Spule F L ~ I und F L ~ s => B = F L /(I s) Drei-Finger-Regel der linken Hand Daumen: physikalische Stromrichtung (Elektronen!) Zeigefinger B Mittelfinger: Lorentzkraft Beachte: Falls s und B nicht senkrecht Nur senkrechte Komponente von B berücksichtigen!!

13 B-Feld (2) Lorentzkraft: für Strom: F L = I s B für geladene Teilchen: F L = q v B Hall-Effekt: Querablenkung der Elektronen... Erklären!! Elektronen durch F L nach unten unten wird negativ Elektr. Kraft wirkt entgegengesetzt F L = F el B e v = e U Hall /d U Hall /(d v)

14

15 B-Feld (3) B-Feld einer langen Spule z. B. mit Hallsonde oder Leiterschleife messen Erregerstromstärke der Spule: B ~ I Err Durchmesser: keinen Einfluss auf die Flussdichte Wicklungsdichte n/l der Spule: B ~ n/l => B ~ n/l · I Err Proportionalitätskonstante heißt magnetische Feldkonstante 0 = Tm/A Berücksichtige evtl. das Medium

16 Teilchen (1) Teilchen im E-Feld Elektronen werden entgegen den Feldlinien beschleunigt Aus der Ruhe: Beschleunigung Energie-Ansatz: W el = W kin Dynamik: F el = m a Kinematik: v = a t // s = 0.5 a t² v||E: Beschleunigung / Abbremsen Energie-Ansatz: W kin (nach) = W kin (vor) + W el Dynamik: F el = m a Kinematik: v = v + a t // s = 0.5 a t² + v t v x E: Querablenkung (z. B. im Kondensator) Mit v x = s/t Aufenthaltszeit berechnen In y-Richtung: s. o. (aus der Ruhe)... => v y und s y Ablenkwinkel: tan( ) = v y /v x v schräg zu E: Zerlegung in zwei Komponenten...

17 Teilchen (2) Teilchen im B-Feld Lorentzkraft: Positive Ladungen Rechte-Hand-Regel v||B: v B: Kreisbahn Kraftansatz: F Z = F L z. B. r oder v oder B... Energie: unverändert, da v F Bei Eintritt / Austritt: Tangential Schikane 1: v || E: Spirale (v r ) Schikane 2: B || E: Schraubenbahn (v y h ) v schräg zu B: Zerlegung in zwei Komponenten v x B: Kreisbahn... Kraftansatz Umlaufdauer T = 2 r/v x v y || B: Ganghöhe h = v y T Ergibt Schraubenbahn Schikane: E || B: v y h

18 Teilchen (3) Teilchen in gekreuztem E- und B-Feld v E B: Gilt: F L = F el keine Ablenkung bei v = E/B Anwendung: Geschwindigkeitsfilter Experimente: Millikan-Versuch: Bestimmung von e (Schweben... G = F el...) Glaskolben in Helmholtz-Spulen: Bestimmung von e/m und damit m Wichtige Anwendungen (Erklären – Rechnen!!!) Braunsche Röhre Massenspektrometer (B-Feld nach Geschwindigkeitsfilter)

19 Ende von Teil II Gleich gehts weiter mit Teil III: Induktion und Wechselstrom


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