Elektrizität. Eledrisch is pradisch: wann'st 'as oreibst brennt's!

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1 Elektrizität Eledrisch is pradisch: wann'st 'as oreibst brennt's! Reibungselektrizität schon vor mehr als 2000 Jahren bei den Griechen bekannt: Reibt man Bernstein mit einem Tuch, zieht er danach Federn und Stofffäden an Elektron = Altgriechisch für Bernstein durch Reibung sehr enge Berührung zweier Körper Materialien mit unterschiedlicher "Elektronegativität" tauschen Elektronen aus 17tes-19tes Jahrhundert: großes gesellschaftliches Interesse, hoher Unterhaltungswert für den Menschen nur schlecht wahrnehmbar Verunsicherung, Angst Elektrisiermaschine von Winter (1920) Elektrisierender Kuss

2 Elektrizität ab 19tem Jahrhundert von zentraler technischer Bedeutung: umwandelbar in mechanische und thermische Energie, in Licht, Musik, "Information", gut zu transportieren Ladungsfluss (Strom) gut zu steuern vergleichsweise schlecht zu speichern Grundlage der Elektronik und Informatik Energietransport, Umwandlung in mechanische Arbeit Informationstransport und -verarbeitung Industrialisierung Informationsgesellschaft Ohne Elektrizität geht nichts mehr! I Elektrostatik Elektrostatik beschreibt ruhende elektrische Ladungen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte Ladungen können "getrennt" werden Ladungsnachweis zum Beispiel mit Drehzeiger- oder Faden Elektrometer -Elektroskop

3 Es gibt positive und negative Ladungen Unterscheidung durch Kraftwirkung aufeinander und Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld F1F2 Im Gegensatz zur Gravitationskraft anziehende und abstoßende Kräfte gleichnamige Ladungen stoßen sich ab entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an Ladungstrennung mit Energie verbunden, Gesamtladung normalerweise nahezu Null - Ladungen sind immer an Masseteilchen gebunden - Elektronen und negative Ionen - Protonen und positive Ionen - dazu diverse Elementarteilchen Millikan-Versuch: alle Ladungen sind ganzzahlige Vielfache der Elementarladung Elementarladung: e , As In abgeschlossenen Systemen bleibt Gesamtladung konstant, aber Trennung und Transport möglich!

4 Ladungstransport: (a) mit einem "Ladungslöffel"; (b) durch eine leitende Verbindung zwischen entgegengesetzten Ladungen; (c) durch geladene Wassertropfen Strom = Ladung pro Zeit Coulomb-Gesetz Kraft zwischen zwei Ladungen Q 1 und Q 2 in Abhängigkeit vom Abstand r: Q 1 ˆr Q 2 F r Messung z B mit Coulombscher Drehwaage Sie bestimmt das von der Ladung Q 2 auf die Ladung Q1 ausgeübte Drehmoment

5 Coulomb-Gesetz: Q1Q2 F f r r 2 F in Newton, r in Meter Konstante f oder Einheit der Ladung Q kann festgelegt werden 1 SI-System: 1 f ; 4 0 Q As C 1 Q1Q2 F r Coulomb Gesetz 4 o r 2 2 CGS-System: f 1; Q kg m s F Q1 Q2 r 2 r Vergleich: Coulomb-Gesetz und Gravitationsgesetz haben die gleiche Form! m1m2 G FG r o G m m FC Q1Q2 Q1Q2 4 2 o r Beispiele: 2 Bleikugeln / 10 kg / 10-6 C FG F 7 C 7,710 2 Elektronen FG F 43 C 2,4 10 Fazit: - Mikrophysik ist durch Coulomb-Kraft dominiert - da negative und positive Ladungen existieren, ergibt sich makroskopisch Aufhebung (elektrisch neutral) - im Kosmos dominiert Graviatation

6 Elektrisches Feld Auf eine Ladung q wird durch eine zweite Ladung Q eine Coulomb-Kraft ausgeübt, die proportional zu q ist elektrische Feldstärke: E E r F r q unabhängig von q q F qe Einheit: E N As V m Q r r E 0 r für Ladung Q am Ort r r r0 Feldlinien: Tangente an Feldlinien gibt Richtung des Feldes an, Dichte der Linien Stärke des Feldes Feldlinien gehen von plus aus und enden bei minus Feldlinien einer positiven und einer negativen Punktladung SI-Einheiten Ladung: q Coulomb C A s Elementarladung des Elektrons: q 19 e 1, C Ladungsdichte: 3 Cm Stromstärke: eigentlich fundamentale SI-Einheit: I Ampere A C s Durch zwei parallele unendlich lange Leiter mit vernachlässigbarem Querschnitt in Abstand 1 Meter fließt ein Strom von jeweils 1 Ampere, wenn sie sich mit 1 Newton pro 1 Meter Länge anziehen Anschluss an Mechanik über Biot-Savart- und Lorentzgesetz Stromdichte: j A m 2 C m 2 s

7 Elemente: mechanische Kraft; elektromagnetische Felder; Feldquellen: Ladungen und Ströme Verbindung zwischen mechanischer Kraft F und Feldern E,B : F q E v B Lorentzkraft: Verbindung zwischen Feldern E,B und Feldquellen q, j: Coulombgesetz: q r E 4 0 r 3 Ampere'sches Gesetz: B 0 j Einheiten der Felder elektrisches Feld: N kg m V E C A s3 m Definition: 1Volt V Nm C kgm2 A s3 magnetisches Feld: N V s B T A m m 2 Definition: 1Tesla T V s kg m2 A s2 Dielektrizitätskonstante: 12 As 0 8, Vm Permeabilität des Vakuums: 7 N A 2

8 CGS-Einheiten Ladung: kg12m3 2s 1 Strom: kg12m3 2s 2 Stromdichte: kg12m 12s1 elektrisches Feld: kg12m 12s1 magnetisches Feld: kg12m 12s1 Felder haben gleiche Einheit! In einem System alles ok Problem ist das Umrechnen Formelübersetzer: CGS x, SI y ; ersetze in SI-Formel y durch x für CGS CGS SI CGS SI c E 4 0 E 0 0 4D D 0 q q B 0 4 B H M M H 4 0 C R 4 R L 4 0 L C