Überblick Physik 4-stündig - kurz vor dem Abi

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1 Überblick Physik 4-stündig - kurz vor dem Abi Teil I: E- und B-Felder März 2004 / Februar 2010

2 Inhalt Elektrisches Feld Magnetisches Feld Teilchen in E- und B-Feldern

3 + - E-Feld (1) Einführung des E-Feldes Elektrische Feldstärke Feldlinienbilder Rasierklingen-Experiment : Einführung der Größe E Skizze mit Kräften: G und Fel = G tan(α) Beobachtung: α ~ q (bei kl. Winkeln) F ~ q => E als Proportionalitätsfaktor E unabhängig von Probeladung: E = F/q

4 E-Feld (2) Einführung der Spannung Arbeit = Kraft mal Weg Experiment im homogenen Feld des Plattenkondensators Platten auseinander ziehen W = Fel 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 Potential φ = Spannung zwischen zwei Punkten

5 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 ε0 = σ/e Bedeutung: pro Ladung entsteht eine bestimmte Anzahl von Feldlinien Ladungen dicht gepackt = hohe Flächenladungsdichte starkes E-Feld

6 E-Feld (4) Einführung der Kapazität C Probelöffel, Spannung erhöhen => Q ~ U C als Proportionalitätsfaktor: U: C = Q/U Bedeutung: Ladungsmenge auf Kondensator pro Volt angelegter Spannung Herleitung der Formel beim Plattenkondensator C = Q/U = σ A / (E d) = ε0 E A / (E d) = ε 0 A / d Technische Realisierung: Blockkondensatoren...

7 E-Feld (5) Berücksichtigung des Mediums Erklären: Hineinschieben eines Dielektrikums z. B.: Q = const. aber U Verschiebungspolarisation: E-Feld wird abgeschirmt... Orientierungspolarisation Dielektrizitätszahl εr Energie des elektrischen Feldes Experiment: Kondensator wird auseinandergezogen W = 0,5 C U² Energie sitzt im Feld

8 E-Feld (6) Kondensator - Aufladung - Entladung Spannungsansatz: U0 = U R + U C Beschreiben - erklären: Ladung/Strom/Spannungsverlauf Entladung: Q(t)-Diagramm Q U R = U C = R Q C I - Q( ) ablesen C = Q( ) /U 0 - I(0): Steigung R = U / I(0) 0 Entladung: I(t)-Diagramm - I(0) ablesen: R = U 0 / I(0) - Q(t) über Trapetfläche C: über U C (t) = U 0 RI(t) I t Zusatz: TH =RC ln(2) t

9 E-Feld (7) aus Zusatzskript Reihenschaltung (vgl. Wasserfall ) Ströme, Ladungen gleich ( Wassermenge ) Spannungen addieren ( Fallhöhe ) Widerstände: U = U1 + U 2 = R 1 I + R 2 I = (R 1 + R 2 ) I Kondensatoren: U = U1 + 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 = I1 + I 2 =U/R 1 + U/R 2 = U (1/R 1 + 1/R 2 ) Kondensatoren: Q = Q1 + Q 2 = C 1 U+ C 2 U= (C 1 + C 2 ) U

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

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

12 B-Feld (3) B-Feld einer langen Spule z. B. mit Hallsonde oder Leiterschleife messen Erregerstromstärke der Spule: B ~ IErr Durchmesser: keinen Einfluss auf die Flussdichte Wicklungsdichte n/l der Spule: B ~ n/l => B ~ n/l IErr Proportionalitätskonstante heißt magnetische Feldkonstante µ 0 = 4π Tm/A Berücksichtige evtl. das Medium Permeabilitätszahl µr

13 Teilchen (1): 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(α) = v y /v x v schräg zu E: Zerlegung in zwei Komponenten...

14 Teilchen (2): 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 = 2π r/v x v y B: Ganghöhe h = v y T Ergibt Schraubenbahn Schikane: E B: v y h

15 Teilchen (3) Teilchen in gekreuztem E- und B-Feld v E B: Gilt: FL = F el keine Ablenkung bei v = E/B Anwendung: Geschwindigkeitsfilter Massenspektrometer

16 Teilchen (4): Millikan Ziel: Bestimmung von e Sinken: v F Schweben F G = F el q Messung: Nur Vielfache von e G

17 Teilchen (5): e/m-bestimmung Aufbau: Wehneltröhre mit Helmholtz-Spulen E-Feld beschleunigt: W el = W kin B-Feld Kreisbahn: F Z = F L r messen Masse des Elektrons

18 Teilchen (6): Elektronenstrahl Erzeugung eines Elektronenstrahl Braunsche Röhre

19 Tipps: Ende von Teil I Theorie, Herleitungen: selbst aufschreiben Formeln: selbst zusammentragen Abi-Aufgaben: Ohne Lösung bearbeiten Gleich geht s weiter mit Teil II: Mechanik Schwingungen Wellen