Tutorium Physik 2. Elektrizität

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1 Tutorium Physik 2. Elektrizität
SS 18 | 2.Semester | BSc. Oec. und BSc. CH | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

2 Themen Fluide Rotation Schwingungen Elektrizität Optik Radioaktivität
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3 10. Elektrizität | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

4 10.1 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)? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

5 10.1 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: | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

6 10.1 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. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

7 10.1 Coulombkraft: Lösung a.
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8 10.1 Coulombkraft: Lösung b.
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9 10.2 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

10 10.2 Punktladung: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

11 10.2 Punktladung: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

12 10.2 Punktladung: Lösung Die Ladung der beiden Teilchen beträgt je 10,545 µC. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

13 10.3 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

14 10.3 Massenpunkt: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

15 10.3 Massenpunkt: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

16 10.3 Massenpunkte: Lösung Die Ladung der beiden Teilchen beträgt je 1,8267∙10-5 C. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

17 10.4 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. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

18 10.4 Abstand zweier Teilchen: Lösung
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19 10.5 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

20 10.5 Konstantan: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

21 Elektrizität 10.6 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. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

22 10.6 Widerstände: Lösung a. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

23 10.6 Widerstände: Lösung b. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

24 10.7 Parallelschaltung: Aufgabe
Zwei Glühlampen mit der Leistung P = 40 W werden parallel an eine Spannungsquelle von U = 230 V geschaltet. Berechnen Sie den Gesamtwiderstand. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

25 10.7 Parallelschaltung: Lösung
Berechnung des Widerstandes einer Glühlampe: | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

26 10.7 Parallelschaltung: Lösung
Berechnung des Gesamtwiderstandes: Der Widerstand beträgt 661,25 Ω. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

27 10.8 Reihenschaltung: Aufgabe
Zwei Glühlampen mit der Leistung P = 40 W werden in Reihe an eine Spannungsquelle von U = 230 V geschaltet. Berechnen Sie die umgesetzte Leistung. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

28 10.8 Reihenschaltung: Lösung
Berechnung des Widerstandes: | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

29 10.8 Reihenschaltung: Lösung
Berechnung des Gesamtwiderstandes: Berechnung der Leistung: Die Leistung beträgt 20 W. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

30 10.9 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

31 10.9 Wechselstrom: Lösung | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

32 10.10 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

33 10.10 Destillieranlage: Lösung
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34 10.11 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

35 10.11 Kapazität: Lösung a | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

36 10.11 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 | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

37 10.12 Kondensator, Entladevorgang: Aufgabe (**)
Ein Kondensator wird an eine Gleichspannung U = 230 V angelegt. Er kann eine maximale Ladung von Q = 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

38 10.12 Kondensator, Entladevorgang: Lösung a.
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39 10.12 Kondensator, Entladevorgang: Lösung b. (I)
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40 10.12 Kondensator, Entladevorgang: Lösung b. (II)
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41 10.12 Kondensator, Entladevorgang: Lösungen b. (III) und c.
c. theoretisch nie, praktisch nach ca. 5∙ | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

42 10.13 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

43 10.13 Kondensator, Aufladevorgang: Lösung a. (I)
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44 10.13 Kondensator, Aufladevorgang: Lösung a. (II)
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45 10.13 Kondensator, Aufladevorgang: Lösung b.
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46 10.13 Kondensator, Aufladevorgang: Lösung c.
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47 10.13 Kondensator, Aufladevorgang: Lösung d.
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48 10.14 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? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

49 10.14 Kapazität: Lösung Die gespeicherte Energie beträgt 160 mWs.
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50 10.15 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! | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

51 10.15 Kondensator, Energie: Lösung
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52 10.16 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. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

53 10.16 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. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

54 10.17 Konstantan: Aufgabe (***)
Aus Konstantandraht mit einem Durchmesser d = 2,0 mm soll eine Spule mit einem Widerstand R = 25 Ω gewickelt werden. Welche Länge muss der Draht haben? Hinweis: Spezifischer Widerstand von Konstantan: ρ = 0,5 Ω*mm²/m | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

55 10.17 Konstantan: Lösung Berechnung des Widerstands des Drahtes mit der Querschnittsfläche des Drahtes: | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

56 10.17 Konstantan: Lösung Berechnung des Widerstands des Drahtes mit der Querschnittsfläche des Drahtes: | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

57 10.18 Aluminium: Aufgabe (***)
Ein Aluminiumdraht mit einer Länge l = 400 m und einem Durchmesser d = 0,8 mm weist einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ(Al) = 25,3 Ω•nm für Aluminium auf. Wie groß ist der elektrische Widerstand dieses Drahtes? Wie groß ist die zu erwartende elektrische Stromstärke in A? | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

58 10.18 Aluminium: Lösung a) | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

59 10.18 Aluminium: Lösung b) Berechnung der Querschnittsfläche des Leiters: Berechnung des Widerstandes: Berechnung der Stromstärke: Die Stromstärke beträgt 10,33 A. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

60 10.19 Kupferleitung: Aufgabe (***)
Welchen Widerstand R hat eine zweiadrige Kupferleitung (d.h. eine Leitung, bei der je ein Draht für Hin- und Rückleitung isoliert nebeneinander liegen) von l = 12 km Länge, wenn jeder Draht die Querschnittsfläche A = 2,5 mm² hat? Hinweis: Spezifischer elektrischer Widerstand von Kupfer ρ = 0,017 Ω • mm²/m | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

61 10.19 Kupferleitung: Lösung
Berechnung des Widerstandes: Der Widerstand beträgt 163,2 Ω. | Tutorium Physik 2 | Elektrizität | Großmann |

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