PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen

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1 PN 2 Einfühung in die alphysik fü Chemike und Biologen 2. Volesung Nadja Regne, Thomas Schmiee, Gunna Spieß, Pete Gilch Lehstuhl fü BioMolekulae Optik Depatment fü Physik LudwigMaximiliansUnivesität München Einneung Elektizität ist übeall Elektomagnetische Käfte und de Aufbau de Mateie d (I) E d = B ds K dt SK 2 d 1 (II) c B d = E ds K dt SK ε 0 1 (III) E ds = ρdv SO ε VSO 0 (IV) B ds = 0 SO SK j ds He Maxwell fasst alles zusammen! Feldlinien

2 ChalesAugustin Coulomb Elektostatik Eine weitee fundamentale Eigenschaft de Mateie: Die Ladung Masse Tägheit Schwekaft seit Einstein keine echte Ehaltungsgöße meh kein (ode nu ein) Vozeichen Ladung

3 Einiges zu Ladung MillikanVesuch Ladungen machen sich übe Käfte bemekba! Öl Einheit de Ladung q : 1 Coulomb (C) Das Coulomb wid übe die Stomstäke (Ampèe) definiet. Anschauliche: Ladungsehaltung Bei jedem bekannten physikalischen Pozess bleibt die Summe de Ladungen (unte Beücksichtigung de Vozeichen) ehalten. Beispiele: Chemische Reaktion Photoionisation Paabildung

4 Ladungen bewiken Käfte das CoulombGesetz Katzenfell Kontakt unteschiedliche Isolatoen füht zu kleinem Ladungsübetag! Reibung ehöht die Obefläche CoulombGesetz F c = 1 q1q2 2 4πε 0 Dielektizitätkonstante ε 0 = 8, A s V 1 m 1 Von de Kaft zum elektischen Feld Die CoulombKaft ist wie die Schwekaft auf den esten Blick eine Fenkaft. Das Konzept de Fenkaft ist abe nicht mit mit Relativitätstheoie veeinba. Dahe füht man Felde ein, die diese Käfte vemitteln. Diesen Felden muss wie de Mateie physikalische Realität zugespochen weden. Definition des elektischen Feldes Kleine Pobeladung CoulombKaft Elektisches Feld

5 Das elektische Feld ist ein ots (und zeit) abhängige Vekto. Gaphische Dastellung schwieig! (Elektische) Feldlinien Elektische Feldlinien velaufen von de positiven zu negativen Ladung! Tangente an Feldlinien gibt die Richtung de Kaft auf eine positive Pobeladung an! Dichte de Feldlinien ist ein Maß fü die elative Stäke des Feldes! Einige FeldlinienBilde Elektische Feldlinien Monopole Feldlinien sind gedankliche Konstukte! Ihe Sichtbamachung beuht auf einem Tick! Zwei geladene Platten Dipol H 2 0 CH 4 Dipole haben seh goßen Einfluss auf Stoffeigenschaften

6 Supepositionspinzip fü elektische Felde Das elektische Feld viele Ladungen egibt sich duch vektoielle Addition de Felde jede einzelnen Ladung. Beispiel E( ) = Ei ( ) i Kontinuieliche Ladungsveteilungen (wenn Königkeit de Ladung keine Rolle spielt) Ladung q Aus P.A. Tiple, Physik Volumen V Ladungen in elektischen Felden Ein Köpe de Masse m und de Ladung q befindet sich in einem elektischen Feld. Was passiet? ma = qe

7 Vom Feld zum Potenzial Wegen ihes Vektochaaktes sind elektische Felde manchmal etwas unhandlich. Dahe wude eine skalae Göße das elektische Potenzial eingefüht. Elektostatische Käfte sind konsevative Käfte! Ladung q soll von 1 nach 2 gebacht weden. Wie goß ist die veichtete Abeit? Potenzialdiffeenz (vulgo Spannung) ist eine nomiete Diffeenz de potenziellen Enegie! Symbol U, Einheit J/C ode (V)olt Potenziallinien Typische Wete Membanpotenziale Batteie HAtom Netz Gewitte Typische Wete Das Potenzial läßt sich übe ÄquipotenzialLinien/Flächen bescheiben!

8 Mit de Spannung echnen Ein Elekton wid duch eine Potenzialdiffeenz von 1000 V beschleunigt? Welche Geschwindigkeit eeicht es? 1000 V Eine Autobatteie (12 V) weden C entnommen. Enegie? Poblem: Beliebige Ladungsveteilung, wie sieht das Feld aus? Noch mal zuück zu den Felden: De Gaußsche Satz Mein Satz hilft! Elektische Fluss φ duch die Fläche S Gaußsche Satz Geschlossene Fläche SO

9 In Woten: De elektische Fluss duch eine geschlossene Fläche is popotional zu eingeschlossenen Ladung! 2DBeispiele