1. Statisches elektrisches Feld

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1 . Statisches elektrisches Feld. Grundlagen der Elektrizitätslehre.. Elektrizität in Natur, Technik und Alltag Altertum: Bernstein reiben Staubteilchen und Wollfasern werden angezogen 794 Coulomb: Gesetz über die Kräfte zwischen zwei geladenen Körpern 800 Volta: Konstruktion erster Batterien 83 Faraday: Induktionsgesetz 866 v. Siemens: dynamoelektrisches Prinzip Beginn Starkstromzeitalter 895 Lorentz: Kraft auf einen bewegten Ladungsträger im Magnetfeld ( Lorentzkraft) a) Ladungsarten und deren Nachweis..2 Elektrisch geladene Teilchen und Körper elektrisch neutraler Körper positiv geladener Körper (Pluskörper) negativ geladener Körper (Minuskörper) Nachweis: Glimmlampe (He-Ne-Gas bei nterdruck) es leuchtet die Berührelektrode auf es leuchtet die Gegenelektrode auf Elektroskop Elektrofeldmeter: Prinzip: Ladungsverschiebung durch das E-Feld und Erdung Spannungsabfall mit folgt: E E d d

2 Ergebnisse: Ladungen lassen sich portionsweise übertragen (Mengencharakter) Entgegengesetzte Ladungen neutralisieren sich Ladungsträger Ladungsart Ladungsmenge Elektron - e 0 Proton e 0 Cu 2 -Ion 2e 0 S 2- -Ion - 2e 0 b) Prinzip der Spannungserzeugung Spannungserzeugung bedeutet Ladungstrennung durch Verrichten von Arbeit Beispiel: Ladungstrennung durch eibung zweier Nichtleiter (Gummistab und Katzenfell) Technische Anwendung: Van-de-Graaf-Bandgenerator (Spannungen bis V) Galvanische Elemente Natur (Gewitter) a) Stromstärke (Grundgröße im SI-System)..3 Stromstärke und Ladung Definition: Stromstärke A ist die Stromstärke, die in zwei parallelen geraden unendlich langen Leitern herrscht, wenn diese im Vakuum die Kraft N je m Leiterlänge aufeinander ausüben. Definition: Strom nter elektrischem Strom versteht man das Fließen von elektrisch geladenen Teilchen, d.h. Strom ist Ladungstransport. b) Ladung Q Zusammenhang zwischen Ladung Q und Strom I: Beispiel: Stromfluss durch Metall Die Valenzelektronen des Metalls bewegen sich mit einer Driftgeschwindigkeit mm v Drift zum Pluspol. s Ein Elektron ist Träger einer negativen Elementarladung e 0. Beachte: Elektronen fließen von nach Technische Stromrichtung von nach

3 t--diagramme a) konstanter Stromfluss Definition: nter Stromstärke versteht man die Ladung, die pro Zeiteinheit s durch einen Leiterquerschnitt fließt: Ladung Q t Q t Einheit: [Q] As C Coulomb Bemerkung : C umfasst 6, Elementarladungen C 6, e 0 b) sich zeitlich ändernder Stromfluss Momentanstromstärke Q t oder für t 0 : Q lim t t 0 mathematisch bedeutet dies die. Ableitung der Ladung nach der Zeit: Für Q gilt: Q t 2 dt t dq dt Q Bemerkungen: i) Elementarladung e 0, C (Nachweis: Versuch von Millikan) ii) Es gilt der Ladungserhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System ist die Summe der Ladungen konstant: Q ges Q Q 2 Q n konst.

4 ..4 Verhalten geladener Körper a) Qualitatives elektrostatisches Kraftgesetz Gleichartige Ladungen stoßen sich ab, ungleichartige ziehen sich an. Versuch: Plattenkondensator Bemerkung: Ladungsverteilung auf Konduktoren i) Becherkonduktor (Faraday - Becher) Die Ladungen sitzen stets auf der Leiteroberfläche. Grund: max. Entfernung voneinander! Anwendung: vollständige Körperentladung im Inneren von Faraday-Bechern ii) Kugelkonduktor Die Ladungen sind gleichmäßig auf der Leiteroberfläche verteilt. iii) Spitzenkonduktor An Stellen starker Krümmung (Spitzen, Kanten) sitzen die Ladungen dichter. Bei sehr starken Ladungsträgerkonzentrationen treten Ladungsträger aus der Spitze. (FA.: Spitzenwirkung). Die umgebende Luft kann dabei zum Leuchten kommen. (FA.: Corona-Entladung; St. Elmsfeuer) Auftreten in der Natur: Schiffsmasten; Bergspitzen bei Gewitter Bei äußerst großer Ladungsträgerkonzentration geht die Corona-Entladung über in eine Bogenentladung (Blitz).

5 Technische Anwendungen: i, Elektrostatische Luftreinigung Funktionsweise: Elektronen treten aus dem Draht und werden von Staubteilchen eingefangen. Diese erhalten dadurch eine negative Ladung und wandern zum Pol, d.h. sie scheiden sich an der Zylinderwand ab. ii) Elektrostatische Autolackierung iii) Feldelektronenmikroskop b) Influenz nter elektrischer Influenz versteht man eine Ladungsverschiebung im E-Feld i) Leiter Ladungsverschiebung innerhalb des gesamten Leiters Leiter ii) Nichtleiter Nichtleiter Ladungsverschiebung innerhalb der einzelnen Moleküle es entsteht ein elektrischer Dipol Nichtleiter werden in einem elektrischen Feld durch Influenz polarisiert und richten sich nach den Feldlinien aus. Anwendung: Plattenkondensator mit Dielektrikum

6 a) Gleichstromkreis Physikalische Größen: ; I; Ohmsches Gesetz: Drahtwiderstandsgesetz:..5 Gleichstrom und Wechselstrom I Gesetze der eihenschaltung: l ρ ; ρ heißt spezifischer Widerstand A I I I 2... I n 2... n 2... n 2 n... Spannungsteilerregel 2 n Gesetze der Parallelschaltung: I I I 2... I n 2... n... 2 n I I 2 I 2... n I n Stromteilerregel Elektrische Energie: W el I t Einheit: [W el ] VAs Ws J Joule Elektrische Leistung: P el I Einheit: [P el ] VA W Watt Zeit-Strom-Diagramm: Technische Stromrichtung: von nach - b) Wechselstromkreis max eff Leistungsgleicher 2 Gleichstrom Erzeugung: Generatorprinzip