Tutorium der Grund- und Angleichungsvorlesung Physik. Elektrizität. SS 2018 | 1. Sem. | B.Sc. LM-Wissenschaften Diese Präsentation ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

Themen Elektrizität Optik Fluide Kinetische Gastheorie Thermodynamik Atomaufbau | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11. Elektrizität (Elektrostatik) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.1 Coulombkraft Aufgabe (**) Wie groß ist die Coulomb-Kraft F zwischen einem Wasserstoff-Atomkern (q1 = 1,602·10-19 C) und einem Elektron (q2 = 1,602·10-19 C) bei einer Entfernung von a) r1 = 0,529 m? b) r2 = 52,9 pm (Elektron umkreist Atomkern)? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.1 Coulombkraft Ansatz Gegeben: q1 = 1,602·10-19 C q2 = 1,602·10-19 C Teil a. r1 = 0,529 m Teil b. r2 = 52,9 pm = 5,29 ·10-11 m Gesucht: F Ansatz: | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.1 Coulombkraft Vorüberlegung Zwischen Teil a. und Teil b. ändert sich nur der Radius. Er ist in Teil b. um den Faktor 1010 kleiner als in Teil a. Es gilt also: Da r2 im Nenner der Formel steht, muss dass Ergebnis von Teil b. um den Faktor 1020 größer sein als das von Teil a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.1 Coulombkraft Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.1 Coulombkraft Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.2 Punktladung Aufgabe Wie groß in μC müsste jede von zwei Punktladungen sein, die sich in einer Entfernung von r = 10 cm gegen-überstehen, wenn eine Anziehungskraft von F = 100 N zustande kommt? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.2 Punktladung Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.2 Punktladung Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.2 Punktladung Lösung Die Ladung der beiden Teilchen beträgt je 10,545 µC. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.3 Massenpunkt Aufgabe Zwei kleine Körper, die als geladene Massenpunkte mit gleichem Ladungsbetrag betrachtet werden können, üben in der gegenseitigen Entfernung r = 10 cm die Kraft F = 300 N aufeinander aus. Wie groß sind die Ladungen? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.3 Massenpunkt Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.3 Massenpunkt Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.3 Massenpunkte Lösung Die Ladung der beiden Teilchen beträgt je 1,8267∙10-5 C. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.4 Abstand zweier Teilchen Aufgabe Das Produkt der Beträge der Ladungen zweier Teilchen beträgt 6 C². Die zwischen ihnen wirkende Coulombkraft beträgt F = 4,31∙1012N. Wie weit befindet sich Teilchen 1 von Teilchen 2 entfernt? Geben Sie den Abstand in cm an. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.4 Abstand zweier Teilchen Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11. Elektrizität (Elektrodynamik) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.5 Konstantan Aufgabe Aus Konstantandraht soll eine Spule mit einem Widerstand R = 25 Ω gewickelt werden. Welche Stromstärke in A wird gemessen, wenn die Spule an eine Spannung U = 40 V angeschlossen wird? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.5 Konstantan Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

Elektrizität 11.6 Widerstände Aufgabe Drei Widerstände mit je R = 300 Ω sind in Reihe geschaltet. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand RGes. Drei Widerstände mit je R = 300 Ω sind parallel geschaltet. Die Widerstände haben eine statistische Messunsicherheit von ± 5 Ω. Berechnen Sie die Unsicherheit des Gesamtwiderstandes für eine Reihenschaltung. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.6 Widerstände Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.6 Widerstände Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.6 Widerstände Lösung c. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.7 Parallelschaltung Aufgabe Zwei Glühlampen mit der Leistung P = 40 W werden parallel an eine Spannungsquelle von U = 230 V geschaltet. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.7 Parallelschaltung Lösung Berechnung des Widerstandes einer Glühlampe: | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.7 Parallelschaltung Lösung Berechnung des Gesamtwiderstandes: Der Widerstand beträgt 661,25 Ω. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.9 Wechselstrom Aufgabe Eine elektrische Wechselstromleitung der Spannung U = 230 V ist mit einer Sicherung der Stromstärke I = 16 A abgesichert. Welche elektrische Leistung in kW kann maximal angenommen werden? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.9 Wechselstrom Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.10 Destillieranlage Aufgabe Eine Destillieranlage arbeitet mit einer Leistung von p = 2,42 kW. Welchen Widerstand muss die elektrische Heizung bei einer Spannung von U = 230 V haben? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.10 Destillieranlage Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.11 Kapazität Aufgabe (*) Wie sehen die Graphen vom Laden und Entladen einer Kapazität aus? Was geschieht beim Laden einer Kapazität? Zu welchem Zeitpunkt t geht die Spannung U beim Entladen und beim Laden eines Kondensators gegen U = 0 V? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.11 Kapazität Lösung a | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.11 Kapazität Lösungen b und c Eine Spannungsquelle lädt die Kapazität auf. Dabei entsteht ein Elektronenüberschuss auf der negativen Platte und ein Elektronenmangel auf der positiven Platte. Beim Entladen: t → ∞ technisch: t = 5t Beim Laden: t → 0s | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.12 Kondensator, Entladevorgang Aufgabe (**) Ein Kondensator wird an eine Gleichspannung U = 230 V angelegt. Er kann eine maximale Ladung von Q = 1.150 C aufnehmen. Dem Entladevorgang setzt er einen Widerstand R = 2 Ω entgegen. a. Berechnen Sie die Kapazität C und die Zeitkonstante τ des Kondensators. b. Wann ist die Spannung auf U = 10 V abgefallen? c. Wann ist die Spannung U theoretisch bzw. praktisch auf 0V abgefallen? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.12 Kondensator, Entladevorgang Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.12 Kondensator, Entladevorgang Lösung b. (I) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.12 Kondensator, Entladevorgang Lösung b. (II) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.12 Kondensator, Entladevorgang Lösungen b. (III) und c. c. theoretisch nie, praktisch nach ca. 5∙ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Aufgabe (**) Wie groß ist die Spannung U zum Zeitpunkt Skizzieren Sie die Ladekurve. Berechnen Sie τ für t = 6 s. Wann ist der Kondensator zu 25% geladen? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Lösung a. (I) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Lösung a. (II) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Lösung c. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.13 Kondensator, Aufladevorgang Lösung d. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.14 Kapazität Aufgabe Wie groß ist die im elektrischen Feld eines Plattenkondensators mit der elektrischen Kapazität C = 2 μF gespeicherte Energie in mWs, der mit einer Spannung U = 400 V aufgeladen wurde? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.14 Kapazität Lösung Die gespeicherte Energie beträgt 160 mWs. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.15 Kondensator, Energie Aufgabe (**) Ein Kondensator wird entladen, nachdem er zuvor bei einer Spannung von U = 230 V und über einen Widerstand von R = 240 Ω aufgeladen wurde. Die Zeitkonstante τ beträgt 7 s. Wie viel Energie wird bei diesem Entladevorgang frei? Geben Sie das Ergebnis sowohl in J als auch in kJ in wissenschaftlicher Schreibweise mit drei Nachkommastellen an! | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.15 Kondensator, Energie Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.16 Magnetische Kraft Aufgabe (*) Sie haben ein Magnetfeld, dass aus der Papierebene herauszeigt. Darin bewegen sich Teilchen in der Papierebene nach oben. In welche Richtung wird ein Elektron Proton Neutron abgelenkt? Benennen Sie auch, was für eine Form die Bahn der Teilchen hat. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |

11.16 Magnetische Kraft Lösung Das Elektron wird nach links auf eine Kreisbahn abgelenkt. Das Proton wird nach rechts auf eine Kreisbahn abgelenkt. Neutron wird nicht abgelenkt und bewegt sich weiter linear. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Elektrizität | Großmann |