Vorlesung 2: Elektrostatik II

Transkript

1 Einheit der elektrischen Ladung: Das Millikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923) Vorlesung 2: Elektrostatik II Sehr feine Öltröpfchen (<1µm) werden mithilfe eines Zerstäubers erzeugt. Sichtbar nur anhand von Beugungsbildern unter einem Mikroskop. Die Öltröpfchen sinken mit konstanter Geschwindigkeit nach unten: Gravitationskraft ausgeglichen durch Stokes-Reibung (Reibungskraft ~Geschwindigkeit). Außerdem: Auftriebskraft! Im elektrischen Feld eines Kondensators kann man beobachten, dass einige Öltröpfchen schneller sinken als vorher, andere langsamer, andere kommen zum Stillstand (schweben). Des weiteren: Spontane, sprunghafte Änderung der Geschwindigkeit kann bei einigen Töpfchen beobachtet werden. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 1

2 Einheit der elektrischen Ladung: Das Millikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923) Bestimmung der Ladung z.b. für den Schwebe-Fall. Dann: F E = F G F A elektrische Kraft gleicht gerade die um die Auftriebskraft reduzierte Gravitationskraft aus. F F E G A Uq = (siehe nächste Vorlesung!) d 4 3 = ρ πr g mit ρ = ρ ρ 3 Öl FE = FG A Uq 4 3 = ρ 3 πr g d 4 3 ρ 3 πr gd oder q = U Luft Ergebnis: SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 2

3 Coulomb-Gesetz Wichtig: r r12 = 21 F F = F Richtung von F: Entlang der Verbindungslinie zwischen den Ladungen F<0 : anziehende Kraft F>0 : abstoßende Kraft SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 3

4 Coulomb-Gesetz: Beispiel SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 4

5 Coulomb-Gesetz: Beispiel 2 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 5

6 Das elektrische Feld Eine Ladungsverteilung erzeugt um sich ein elektrisches Feld. An jedem Punkt um eine Ladungsverteilung herrscht ein elektrisches Feld. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 6

7 Wie kann man ein elektrisches Feld darstellen? Feldlinien Regeln für Feldlinien SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 7

8 Java Applets zum Spielen mit elektrischen Feldern, Feldlinien und Ladungen (Testladungen) (verschiedene Ladungsverteilungen, Vektorfelder, Feldlinien, Bewegung ) SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 8

9 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld Elektrischer Dipol: Hier zwei entgegengesetzt geladene Metallkugeln 1. Hochspannung wird an beiden Platten des Plattenkondensators angelegt. (+3000V linke Platte, -3000V rechte Platte). Der Dipol berührt beide Platten und wird aufgeladen. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 9

10 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld 2. Die Platten werden auseinanderbewegt. Der Dipol beginnt sich zu drehen, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt und umgekehrt. 3. Der Plattenkondensator wird umgepolt. Der Dipol dreht sich wieder, bis seine negative Seite wieder der Platte gegenüberliegt und umgekehrt. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 10

11 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Grieskorn (neutral) Grieskorn ím elektrischen Feld: Polarisation. Es entsteht ein elektrischer Dipol. Ein elektrischer Dipol versucht, sich in Richtung der Feldlinien zu drehen! Ein elektrischer Dipol versucht sich in Richtung der Feldlinien zu drehen. Deswegen zeigen die Grieskörner in Richtung des elektrischen Feldes. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 11

12 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Griskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine elektrische Dipole sind, richten sie sich im elektrischen Feld aus. Die Spannung zwischen den beiden Polen beträgt V. + - Schematische Darstellung der Feldlinien zwischen zwei gleichgrossen, entgegengesetzten elektrischen Ladungen. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 12

13 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Griskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine elektrische Dipole sind, richten sie sich im elektrischen Feld aus. Die Spannung zwischen den beiden Polen beträgt V. + - SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 13

14 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner + - Zwischen zwei Platte herrscht ein homogenes elektrisches Feld. (d.h. Feld Ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche Richtung. Randbereich! Was ändert sich, wenn man zwischen die Platten einen Metallring legt? nächste Seite. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 14

15 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Kein Feld im Inneren des Metallrings! Der Ring wirkt als Faraday-Käfig und schirmt das elektrische Feld ab. + - SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 15

16 Beispiel: Auto als Faradayscher Käfig bei Gewitter SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 16

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