Prof. Dr. Caren Hagner

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1 Prof. Dr. Caren Hagner Borexino Experiment (Gran Sasso, Italien) Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee Hamburg Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: Webseite: Sprechstunden: nach Vereinbarung ( ) OPERA Experiment (Neutrinooszillationen) am Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik) 1

2 Programm: Elektrizität und Magnetismus Optik Atom- und Kernphysik 2

3 Struktur der Materie 3

4 Das heutige Bild vom Aufbau eines Atoms Größe < m Kern Größe m p n Größe < m n p Größe m Größe m 4

5 Reibungselektrizität Altgriechisch: ἤλεκτρον = Bernstein Versuch: Erzeugung von elektrischer Ladung durch Reibung (Genauer: Die Reibung trennt positive und negative Ladungen) 1. Fell und Hartgummistab Elektronen fließen vom Fell auf den Kunststoffstab. Kunststoffstab ist negativ geladen. 2. Seidentuch und Glasstab Elektronen fließen vom Glasstab auf das Seidentuch. Glastab ist positiv geladen

6 Elektrische Leiter: z.b. Elektronen in Metallen, Ionen in Flüssigkeiten Wie sind die Ladungen in einem Metall verteilt? Nichtleiter = Isolatoren: z.b. Glas, Gummi, Kunststoffe 6

7 Influenz Metallkugel (neutral) Plastikstab (geladen) Beim Annähern des Stabes werden die Ladungen im Metall getrennt. Auf der einen Seite befinden sich die positiven, auf der anderen die negativen Ladungen. Man bezeichnet die so entstandenen Ladungen als Influenzladungen. 7

8 Versuch: Messung der elektrischen Ladung mit Elektrometer Ein geladener Stab nähert sich dem Elektroskop und berührt die obere Metallplatte. Vom Stab fließen Ladungen auf das Elektroskop. Die Ladungen verteilen sich auf den Oberflächen der Metallteile. Da sich gleiche Ladungen abstoßen schlägt der Zeiger aus. 8

9 Becherelektroskope: Ladung kann zwischen beiden Elektroskopen transportiert werden Ausschlag bei aufgebrachter Ladung Ausschlag ohne Ladung 9

10 Einheit der elektrischen Ladung: Die kleinste Einheit der elektrischen Ladung ist die sogenannte Elementarladung e Alle freien Ladungen die man jemals in Experimenten beobachtet hat, waren Vielfache dieser Ladung! Ladung des Protons: q p = +1e Ladung des Neutrons: q n = 0 Ladung des Elektrons: q e = -1e Achtung:Die Quarks haben entweder q = -1/3e oder q = +2/3e, sie kommen aber nie einzeln vor, sondern nur in solchen Kombinationen die ganzzahliges Vielfaches von e ergeben! 10

11 Versuch: Van de Graaff Generator Vorrichtung die durch Reibung positive und negative Ladungen trennt. Eine Elektrode wird stark aufgeladen. 11

12 Versuch: Van de Graaff Generator Hier wird die Ladung aufgebracht Band 12

13 Coulomb-Gesetz: Kraft F, die Ladung 1 auf die Ladung 2 ausübt: Wichtig! F 12 = F 21 Richtung von F: entlang der Verbindungslinie zwischen den Ladungen F < 0 F > 0 anziehende Kraft abstoßende Kraft 13

14 Das elektrische Feld Eine Ladungsverteilung erzeugt um sich ein elektrisches Feld (An jedem Punkt um eine Ladungsverteilung herrscht ein elektrisches Feld.) 14

15 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Grieskörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine Dipole werden, richten sie sich entlang der Feldlinien aus (Die Spannung zwischen + und beträgt hier 10000V). + - Schematische Darstellung der el. Feldlinien zwischen zwei gleichgroßen, entgegengesetzten Ladungen 15

16 Visualisierung des elektrischen Feldes durch Feldlinien 16

17 Regeln zur Bestimmung von Feldlinien: 1.) Elektrische Feldlinien beginnen bei + und enden bei -. 2.) Elektrische Feldlinien schneiden sich nie. 3.) Elektrische Feldlinien stehen senkrecht auf Metalloberflächen. 17

18 Wiederholung: Elektrische Ladung: Einheit 1 Coulomb = 1 C (= 1 As) Elementarladung e = C Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen: r F ' Q1 Q = f 2 r 2 r e r f ' = Nm 2 C 2 Elektrische Feldstärke: r r F E = und q r F = q r E 18

19 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld Die Platten werden auseinanderbewegt. -> Der Dipol beginnt sich zu drehen, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt (und umgekehrt) Die Hochspannung wird umgepolt. -> Der Dipol dreht sich wieder, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt (und umgekehrt). 19

20 Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld +Q -Q Elektrischer Dipol (hier: 2 Metallkugeln, mit entgegengesetzter Ladung) 1. Hochspannung wird an die beiden Platten eines Plattenkondensators angelegt. (+3000V linke Platte, -3000V rechte Platte). Der Dipol berührt beide Platten und wird aufgeladen. 20

21 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Zwei parallele gerade Metallplatten Zwischen zwei Platten herrscht ein homogenes elektrisches Feld. (d.h. Feld ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche Richtung). 21

22 Versuch: Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grieskörner Ungeladener Metallring zwischen zwei parallelen, unterschiedlich geladenen Metallplatten Kein Feld in Inneren des Metallrings! Der Ring wirkt als Faraday-Käfig und schirmt das elektrische Feld ab. 22

23 Beispiel: Auto oder Flugzeug wirken im Gewitter als Faradayscher Käfig. Problem: Immer mehr Teile von Auto und Flugzeug werden aus Kunststoff gefertigt. 23

24 Im Inneren eines Faraday Käfigs gibt es kein elektrisches Feld (z.b. Schutz vor Blitz, aber auch allgemein zur Abschirmung elektrischer Felder) 24

25 Boston Science Museum 25

26 Arbeit im elektrischen Feld 26

27 Arbeit und Spannung Zusammenhang zwischen E und U im homogenen Feld (Plattenkondensator) 27

28 Kondensatoren: Speichern Ladung (und elektrische Energie) 28

29 Kondensator und Kapazität d U 29

30 Versuch: Plattenkondensator mit Dielektrikum Messung der Ladung Dielektrikum (hier: Plexiglas) Spannungsversorgung Die Spannung wird konstant gehalten. Beim Einschieben des Dielektrikums nimmt die Ladung auf den Platten zu. -> Die Kapazität des Kondensators nimmt zu! 30

31 Kondensator (mit Dielektrikum): Kapazität: C = Q U Einheit 1 Farad, 1 F = 1 C/V +Q -Q Kapazität eines Plattenkondensators: ε Fläche A C = ε 0 ε A d Dielektrizitätskonstante ε (Permittivität): d U Vakuum 1 Luft Plexiglas 3.40 Glas 5-10 Wasser 80 31

32 Elektrischer Strom 32

33 Wiederholung: Stromstärke: I = Q t Einheit 1 Ampere, C = A s Versuch zur Stromwirkung: Leuchtende Gurke 33

34 Stromwirkungen: 34

35 Elektrischer Widerstand 35

36 Standard Widerstände: Aber auch dies sind Widerstände: Verstellbare Widerstände (Potentiometer) E-Herd Lampen El. Heizofen 36

37 Menschlicher Körper als Leiter für elektrischen Strom? Stromwirkung, Gefahr für den Organismus durch elektrischen Strom: Besonders gefährlich: 50 Hz Wechselstrom aus Steckdose Höhere Frequenz ist weniger gefährlich (Reizleitung über Stofftransport zu langsam) 37

38 Grenze für Dauer t des Elektroschocks mit Strom I max bei der gerade noch kein Herzflimmern auftritt: I = max t As 1/ 2 Beispiel: 38

39 Stromarbeit und Elektrische Leistung Die Ladung Q fließt in der Zeit t durch das Material, dazu ist Arbeit nötig: Wohin geht die Energie? Erwärmt den Stromleiter 39

40 Elektrische Netzwerke Kirchhoffsche Regeln: 1.) In einem Knotenpunkt eines Netzwerkes ist die Summe der einfließenden Ströme gleich der Summe der ausfließenden Ströme. 2.) Die Summe aller Quellenspannungen und Spannungsabfälle längs einer beliebigen, geschlossenen Schleife (Masche) eines Netzwerkes ist gleich Null. 40

41 Serienschaltung (Hintereinanderschaltung) von Widerständen U U R 1 R 2 R = R 1 +R 2 41

42 Parallelschaltung von Widerständen R 1 R = R1R 2 R + R 1 2 R 2 U U 42

43 Beispiel zur Berechnung des Gesamtwiderstands eines Netzwerkes: 1.Schritt 2.Schritt 43

44 Beispiel für Netzwerk aus Spannungsquellen und Widerständen: Zitteraal (Electrophorus electricus) Wie erzeugt ein Zitteraal im Wasser einen Strom von ca. 1A um Beute zu erlegen? Warum stirbt er selbst nicht daran? Alexander von Humboldt (Südamerika-Expedition Anfang des 19. Jahrhunderts): "Die Furcht vor den Schlägen des Zitteraals ist im Volke so übertrieben, dass wir in den ersten drei Tagen keinen bekommen konnten. Unsere Führer brachten Pferde und Maultiere und jagten sie ins Wasser. Ehe fünf Minuten vergingen, waren zwei Pferde ertrunken. Der 1,6 Meter lange Aal drängt sich dem Pferde an den Bauch und gibt ihm einen Schlag. Aber allmählich nimmt die Hitze des ungleichen Kampfes ab, und die erschöpften Aale zerstreuen sich. In wenigen Minuten hatten wir fünf große Aale. Nachdem wir vier Stunden lang an ihnen experimentiert hatten, empfanden wir bis zum anderen Tage Muskelschwäche, Schmerz in den Gelenken, allgemeine Übelkeit."

45 Beispiel für Netzwerk aus Spannungsquellen und Widerständen: Zitteraal Spannungszelle (Elektroplax): ε = 0.15V r = 0.25Ω 5000 Spannungszellen/Reihe 140 Reihen R wasser = 800Ω Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 45

46 Auf- und Entladen von Kondensatoren a) Ladevorgang Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 46

47 Auf- und Entladen von Kondensatoren b) Entladevorgang Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 47

48 Versuch: Entladen von Kondensatoren über Alubrücke 1.) Zunächst werden die Kondensatoren über die Spannungsquelle langsam aufgeladen 2.) Beim Entladen explodiert die Alubrücke an der engsten Stelle mit lautem Knall, denn: Da P=IR 2 tritt an der engsten Stelle (größtes R!) die höchste Wärmeleistung auf. Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 2: Elektrischer Strom / 48