mentor Abiturhilfe: Physik Oberstufe Weidl

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1 ntor Abiturhilfn ntor Abiturhilf: Physik Obrstuf Elktrizität und Magntisus - Ladung, Fldr, Induktion, lktroagntisch Wlln von Erhard Widl 1. Auflag ntor Abiturhilf: Physik Obrstuf Widl schnll und portofri rhältlich bi bck-shop.d DIE FACHBCHHANDLNG Mntor 2007 Vrlag C.H. Bck i Intrnt: ISBN

2 Inhalt 1 Ladungn und lktrisch Fldr Gladn Körpr Das COLOMBsch Gstz Elktrisch Fldstärk und lktrischs Fld Spannung und lktrischs Potnzial Di lktrisch Fldstärk i Plattnkondnsator Kapazität Enrgi ds lktrischn Flds Übungsaufgabn zu Kapitl Gladn Tilchn in lktrischn Fldrn Di Elntarladung Bwgung von Elktronn i lktrischn Längsfld Bwgung von Elktronn i lktrischn Qurfld Übungsaufgabn zu Kapitl Strö und agntisch Fldr Dr Glichstro Magntfld und agntisch Kraftflussdicht Hoogns Magntfld inr Spul Magntfld ins gradn, Stro durchflossnn Litrs Übungsaufgabn zu Kapitl Gladn Tilchn i Magntfld Di LORENZ-Kraft Gladn Tilchn i hoognn Magntfld Bstiung dr spzifischn Ladung ds Elktrons Das Zyklotron Dr HALL-Effkt Übungsaufgabn zu Kapitl Elktroagntisch Induktion Dr agntisch Fluss Das Induktionsgstz Bispil für di Anwndung ds Induktionsgstzs Di LENZsch Rgl Di Slbstinduktion Enrgi ds agntischn Flds Übungsaufgabn zu Kapitl

3 Gladn Tilchn in lktrischn Fldrn Aus dr Glichgwichtsbdingung kann an di Ladung q ds Öltröpfchns bstin: F = F g qe = g gd q 3 = g fi q = d 8 Di Mass ds kuglförign Öltröpfchns rgibt sich aus dr Dicht r ds Öls und d it d Mikroskop gssnn Tröpfchnradius r: 4 4pr 3 rgd = V r = pr 3 r fi q = Mssungn von vrschidnn Tröpfchn rgbn, dass ihr lktrisch Ladung stts in ganzzahligs Vilfachs dr Ladung 1, C ist. Dis ligt daran, dass di Ladung ins Tröpfchns durch inn Mangl odr durch inn Übrschuss an Elktronn vrursacht wird und dass di Ladung ins Elktrons 1, C bträgt. Di Ladung = 1, C wird als Elntarladung bzichnt. All in dr Natur vorkondn Ladungn sind ganzzahlig Vilfach dr Elntarladung. Das Elktron ist dr Trägr dr ngativn Elntarladung. Das Proton ist dr Trägr dr positivn Elntarladung. Aufgab 2.1 a End ds Kapitls In dr Atophysik trtn hrr physikalisch Größn auf, di nur als ganzzahlig Vilfach ins Elntarquantus vorkon. Si wrdn als gquantlt Größn bzichnt. Di Ladung ist gquantlt. 2.2 Bwgung von Elktronn i lktrischn Längsfld Di Bwgung von Elktronn i lktrischn Fld lässt sich nur in inr Vakuuröhr untrsuchn, wo di Elktronn nicht ständig auf Luftolkül stoßn. Di it d Pluspol inr Spannungsqull vrbundn Elktrod dr Röhr hißt Anod, di it d Minuspol vrbundn Elktrod hißt Kathod. Zurst uss an di Elktronn aus dr Kathod hrauslösn. Litungslktronn sind zwar i Innrn ds Mtalls fri bwglich, doch aus dr Obrfläch könnn si nur untr Enrgiaufwand hrausglöst wrdn. Dahr bringt an das Mtall zu Glühn. Dr Austritt von Elktronn aus dr Glühkathod wird als Glühission bzichnt. 20

4 Lgt an zwischn di Glühkathod und di Anod inr Vakuuröhr in lktrisch Spannung, so wrdn di Elktronn i hoognn lktrischn Fld von dr Kathod zur Anod bschlunigt. Da sich di Elktronn paralll zu dn Fldlinin bwgn, spricht an von in lktrischn Längsfld. Gladn Tilchn in lktrischn Fldrn Glühkathod d Anod F E + I hoognn lktrischn Fld wirkt auf jds Elktron di konstant Kraft: F = E Dabi ist di Elntarladung. Dis Kraft vrursacht di Bschlunigung a ds Elktrons. Nach d nwtonschn Kraftgstz gilt: F = a Hir ist di Mass ds Elktrons. Wgn a = E bträgt di Bschlunigung i lktrischn Längsfld: a = 4 E = 4 4 d Dr Quotint 4 wird als spzifisch Ladung ds Elktrons bzichnt. Si bträgt 4 = 1, C kg 1. Wir wrdn spätr shn, wi 4 xprintll bstit wrdn kann. Übrigns ist di Gwichtskraft ds Elktrons i Vrglich zur Kraft ds lktrischn Flds so gring, dass si das Elktron nicht rklich nach untn ablnkn kann. Ein Elktron durchläuft von dr Kathod zur Anod dn Wg d und gwinnt dabi di Enrgi: W = F d = E d = 3 d = d 21

5 Gladn Tilchn in lktrischn Fldrn Bi Durchlaufn dr Spannung gwinnt in Elktron aus d lktrischn Fld di Enrgi: W = Durchläuft in Elktron di Spannung 1 V, so wird ih dabi di Enrgi W = 1, C 1 V = 1, J zugführt. Disr klin Enrgibtrag ist in praktisch Enrgiinhit in dr Atophysik. Man dfinirt: Ein Elktronvolt (1 V) ist dijnig Enrgi, di in Elktron bi Durchlaufn dr Spannung 1 V gwinnt. 1 V = 1, J Di aus d lktrischn Fld aufgnon Enrgi W wird in kintisch Enrgi E k ugwandlt: E k = W 1 3 v2 = fi v = c Di Gschwindigkit ins Elktrons nach Durchlaufn dr Spannung ist: v = c Was abr, wnn das Elktron nicht aus dr Ruh hraus bschlunigt wird, sondrn it dr Anfangsgschwindigkit v 0 durch in klin Öffnung in das hoogn lktrisch Fld ins Platnkondnsators intritt? Sagn Si nicht: Was solls? Ich addir zu Wrt c ganz infach di Anfangsgschwindigkit v 0 hinzu. Di korrkt Forl ist nälich aus d Enrgirhaltungssatz hrzulitn: Bi Eintritt in dn Kondnsator hat das Elktron di kintisch Enrgi 1 E k0 = 3 v 2 0. Wnn s von dr ngativn zur positivn Platt ntggn dr 2 Fldrichtung bschlunigt wird, gwinnt s aus d Fld di Enrgi W = und hat bi Auftrffn auf di positiv Platt di kintisch Enrgi 1 E k = 3 v 2 : 2

6 E k0 + W = E k v = 3 v v = v 2 Das Elktron trifft also it dr Gschwindigkit v = c v auf di positiv Platt. Gladn Tilchn in lktrischn Fldrn Bwgt s sich abr von dr positivn zur ngativn Platt, so wird s durch das lktrisch Fld abgbrst. Es gibt bi Durchlaufn dr Spannung an das Fld di Enrgi W = ab. Also gilt E k0 W = E k und s folgt v = c v Aufgab 2.2 a End ds Kapitls 2.3 Bwgung von Elktronn i lktrischn Qurfld Was abr passirt, wnn di Elktronn nicht paralll, sondrn snkrcht zu dn Fldlinin in in hoogns lktrischs Fld intrtn? Dis lässt sich in inr Elktronnstrahlröhr untrsuchn, di inn Ablnkkondnsator nthält. y + v v y + v 0 x v x =v 0 + B Von dr Glühkathod wrdn Elktronn ittirt, di durch di Spannung B bis zur Anod auf di Gschwindigkit v 0 = c B bschlunigt wrdn. Nachd si di durchbohrt Anod durchqurt habn, trtn si it disr Gschwindigkit snkrcht in das Fld ds Kondnsators in, an d di Ablnkspannung ligt. Di Bahn dr Elktronn i Ablnkkondnsator lässt sich sichtbar achn auf in Luchtschir, an d dr Elktronnstrahl ntlangstrift. Man siht, dass di Elktronn zur positivn Platt hin abglnkt wrdn. Wir wolln di gnau Bahnkurv brchnn: 23

7 6 Wchslstrokris Erzugung dr Wchslspannung Ohschr Widrstand i Wchslstrokris Kondnsator i Wchslstrokris Spul i Wchslstrokris Rihn- und Paralllschaltung von Wchslstrowidrständn Übungsaufgabn zu Kapitl Elktroagntisch Schwingungn und Wlln Dr Schwingkris Erzugung ungdäpftr lktroagntischr Schwingungn Dr Dipol Elktroagntisch Wlln ins strahlndn Dipols Intrfrnz Polarisation Übungsaufgabn zu Kapitl Lösungn Vorbrkung Ergbniss Ausführlich Lösungn Rgistr Das intrnational Einhitnsyst