6.1.2 Das elektrische Feld

Ähnliche Dokumente
Elektrostatik. Arbeit und potenzielle Energie

Statische Magnetfelder

Inhalt der Vorlesung A1

Kinematik und Dynamik der Rotation - Der starre Körper (Analogie zwischen Translation und Rotation eine Selbstlerneinheit)

Einführung in die Theoretische Physik

34. Elektromagnetische Wellen

Wichtige Begriffe dieser Vorlesung:

FH Giessen-Friedberg StudiumPlus Dipl.-Ing. (FH) M. Beuler Grundlagen der Elektrotechnik Magnetisches Feld

Elektrischer Strom. Strom als Ladungstransport

3.1 Elektrostatische Felder symmetrischer Ladungsverteilungen

Einführung in die Physik I. Wärme 3

46 Elektrizität 3.2 ELEKTRISCHER STROM DER ELEKTRISCHER STROM

( ) ( ) 5. Massenausgleich. 5.1 Kräfte und Momente eines Einzylindermotors Kräfte und Momente durch den Gasdruck

Grundlagen der Elektrotechnik II

Komplexe Widerstände

Versuch M21 - Oberflächenspannung

Stereo-Rekonstruktion. Stereo-Rekonstruktion. Geometrie der Stereo-Rekonstruktion. Geometrie der Stereo-Rekonstruktion

6. Arbeit, Energie, Leistung

Inhalt der Vorlesung Experimentalphysik II

Die Hohman-Transferbahn

Die Schrödingergleichung für das Elektron im Wasserstoffatom lautet Op2 e2 Or. mit

Versuch M04 - Auswuchten rotierender Wellen

Computer-Graphik II. Kompexität des Ray-Tracings. G. Zachmann Clausthal University, Germany cg.in.tu-clausthal.de

Laborpraktikum Sensorik. Versuch. Füllstandssensoren PM 1

5 Rigorose Behandlung des Kontaktproblems Hertzscher Kontakt

anziehend (wenn qq 1 2 abstoßend (wenn qq Sorten Ladung: + / - nur eine: Masse, m>0 Kraft entlang Verbindungslinie wie El.-Statik Kraft 1 2 r

Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald / Institut für Physik Physikalisches Grundpraktikum

6. Das Energiebändermodell für Elektronen

Einführung in die Finanzmathematik - Grundlagen der Zins- und Rentenrechnung -

1 Strömungsmechanische Grundlagen 1

KOMPONENTENTAUSCH. Elmar Zeller Dipl. Ing (FH), MBA Quality-Engineering

Parameter-Identifikation einer Gleichstrom-Maschine

7. VEKTORRECHNUNG, ANALYTISCHE GEOMETRIE

Konzeptionierung eines Feldsondenmeßplatzes zum EMV-gerechten Design von Chip/Multichipmodulen 1

Abiturprüfung 2015 Grundkurs Biologie (Hessen) A1: Ökologie und Stoffwechselphysiologie

Die Lagrangepunkte im System Erde-Mond

2 Theoretische Grundlagen

Hochschule für Technik und Informatik HTI Burgdorf. Elektrotechnik. 1. Elektrisches Feld... 3

Software Engineering Projekt

Herrn N. SALIE danke ich für interessante Diskussionen.

2.4 Dynamik (Dynamics)

Rollenrichtprozess und Peripherie

Wärmestrom. Wärmeleitung. 19.Nov.09. Ende. j u. Dieses wird zweckmäßiger pro Einheitsfläche definiert:

Unterlagen Fernstudium - 3. Konsultation

F63 Gitterenergie von festem Argon

Dynamik. Einführung. Größen und ihre Einheiten. Kraft. Basiswissen > Grundlagen > Dynamik [N] 1 N = 1 kg m.

Berechnung der vorhandenen Masse von Biogas in Biogasanlagen zur Prüfung der Anwendung der StörfallV

7 Arbeit, Energie, Leistung

1925 Einstein: Für ein ideales Bose-Gas ist in einer 3-dimensionalen Box gilt für die Temperatur T c : definiert ist als

Prüfung zum Erwerb der Mittleren Reife in Mathematik, Mecklenburg-Vorpommern Prüfung 2011: Aufgaben

Übung zur Einführung in die VWL / Makroökonomie. Teil 7: Das IS-LM-Modell

Testnormal. Mikroprozessorgesteuerter Universal-Simulator für fast alle gängigen Prozessgrössen im Auto- Mobilbereich und Maschinenbau

Makroökonomie 1. Prof. Volker Wieland Professur für Geldtheorie und -politik J.W. Goethe-Universität Frankfurt. Gliederung

Magnetische Levitation

Dynamisches Verhalten einer Asynchronmaschine

Analytische Berechnung magnetischer Felder in Permanentmagnet erregten Maschinen

1 Elektrostatik 1.1 Ladung Eigenschaften

Bestimmung der massebezogenen Aktivität von Radionukliden

Grundlagen der Berichterstattung:

Steuerungskonzept zur Vermeidung des Schattenwurfs einer Windkraftanlage auf ein Objekt

FUSIONS- UND GRAVITATIONSENERGIE VON STERNEN

Versuche: Transformator, Schmelzen von Draht und Metall, Hörnetblitz

ERDGASENTSPANNUNGSANLAGE OBERBUCHSITEN UT WISI ENIM AD MINIM VENIAM,QUIS NOSTRUD EXERCI TATION.

4. Chemische Bindung

Grundlagen der Elektrotechnik I (GET I)

iaf Institut für angewandte Forschung

V10 : Elektronenspinresonanz

TECHNISCHE UNIVERSITÄT HAMBURG - HARBURG

Fußball. Ernst-Ludwig von Thadden. 1. Arbeitsmarktökonomik: Ringvorlesung Universität Mannheim, 21. März 2007

ERGEBNISSE TM I,II UND ETM I,II

Strömungs- und Wärmeübergangseffekte. an der rotierenden temperierten Zylinderwelle. unter Beachtung von Geometrieeinflüssen

ISBN Schriftenreihe Institut der Deutschen Messewirtschaft Edition 44

Generalthema: Ausgewählte Fragen der Fremdfinanzierung

Modellbasen für virtuelle Behaglichkeitssensoren

I MECHANIK. 1. EINFÜHRUNG Grundlagen, Kinematik, Dynamik (Wiederholung der Schulphysik)

8. Transmissionsmechanismen: Der Zinskanal und Tobins q. Pflichtlektüre:

Musterlösung Klausur Mathematik (Wintersemester 2012/13) 1

8.2 Nominaler Zinssatz und die Geldnachfrage

4.1 Lagrange-Gleichungen, Integrale der Bewegung, Bahnkurven

Leistungsmessung im Drehstromnetz

Investition und Finanzierung

Entladen und Aufladen eines Kondensators über einen ohmschen Widerstand

Diplomarbeit DIPLOMINFORMATIKER

Magische Zaubertränke

Grundbildung Nachholbildung Kauffrau/Kaufmann

Die Kolam-Figuren Südindiens

Wavelet-Analysen ozeanischer Drehimpulszeitreihen

Relativistische Sterne

KUNDENMASSBLATT. Vermesser: Datum: Bootstyp: Segelnummer: Revier: Kundenadresse. Name: Straße: PLZ/Ort: Tel. (priv.): Tel. (gesch.): Mobilnummer: Fax:

Unverbindliche Musterberechnung für den Wealthmaster Classic Plan von

Das makroökonomische Grundmodell

Seminarvortrag: Schwarze Löcher und Neutronensterne

Elektrischen Phänomene an Zellmembranen

Deutsch Bayern Abiturprüfung 2014: Aufgabe 1: Erschließen eines literarischen Textes

WEKA FACHMEDIEN GmbH. Technische Spezifikationen für die Anlieferung von Online-Werbemitteln

Energieeffiziente Abscheidung von hochkonzentrierten flüssigen Aerosolen mit einem Autogenen Raumladungsgetriebenen Abscheider (ARA) Dissertation

Vortrag von Sebastian Schreier

Grundlagen der Elektrotechnik 1

Perfekte Speicherkarten für jeden Zweck

Arbeitsgemeinschaft Corporate Finance. 3. Feb 2011 RKU Heidelberg David Dell

Transkript:

V6_Feld.DOC Volesung Expeimentalphysik I am 7.. und 8.. J. Ihinge 6.. Das elektische Feld uf elektische Ladungen wikt die Coulomb Kaft. nalog zum Gavitationsfeld, das als Schwekaft auf eine Masse wikt, definiet man das elektischen Feld, das auf die Ladung wikt. Ladungen sind abe, vo allem in elektisch leitenden Mateialien, leicht veschiebba. Fü die gleiche Ladungsmenge hängt Betag und Richtung de elektischen Feldstäke von de geometischen nodnung de Ladung ab. uch Influenz duch außehalb de betachteten nodnung befindliche Ladungen beeinflusst die Ladungsveteilung und damit die Feldstäke. Bei gegebene Ladung kann man abe doch mit de Feldstäke eine von de geometischen Fom unabhängige Göße definieen, den elektischen Fluß. E ist die Summe de Podukte aus Feldstäken und Flächenelementen, wenn sich die Flächenelemente zu eine die Ladung umschließenden Obefläche egänzen. Die Ladungen weden als die uellen des elektischen Feldes bezeichnet, analog zum geogaphischen Bild, indem in einem Gebiet nu dann auf eine uelle geschlossen weden kann, wenn aus diesem meh asse heaus als hinein fließt. 6... Die elektische Feldstäke Die elektische Feldstäke ist eine vektoielle Göße, die den Betag und die Richtung de an einem Ot wikenden Kaft auf eine Einheitsladung zeigt. Die analoge Göße aus de Mechanik ist die Schwekaft auf die Einheitsmasse: Sie ist vom Betag de Schweebeschleunigung g und weist in Richtung de anziehenden Masse. Die sache fü das Feld ist eine Ladung, die in de bbildung symbolisch als Kasten gezeichnet ist. Fomel Einheit nmekung F E q N C Elektische Feldstäke: Kaft auf eine elektische Ladung vom Betag F q E F q Die Richtung de elektischen Feldstäke ist die de Kaft auf eine positive Ladung (Definition) q Tabelle Definition de Feldstäke. Die Fedewaage misst die Kaft F auf die positive Ladung q, die sich im Feld de positiven geladenen Platte links (Ladung q ) befindet. De Vekto de Feldstäke ist oange gezeichnet.

V6_Feld.DOC 6... Feldlinien Feldlinien zeigen an jedem Ot die Richtung de von de Feldstäke auf eine Ladung ausgeübte Kaft. Vesuch Feldlinien zwischen unteschiedlich geladenen Leiten: In eine flache anne mit Öl und Gieskönen weden zweidimensionale Objekte eingebacht und mit de Influenzmaschine aufgeladen. Die Gießköne odnen sich in Ketten entlang den Feldlinien und machen diese so sichtba. Die Objekte sind Modelle fü: Plattenkondensato, Platte und Punktladung, Punktladungen, Ring und Punktladung außen. Man ekennt: Feldlinien enden senkecht auf Obeflächen elektische Leite. Die beweglichen Ladungstäge veschieben sich, bis die tangentialen Komponenten veschwinden. Je nach de Geometie de Objekte liegen die Feldlinien unteschiedlich dicht. n den Spitzen von Leiten ist ihe Dichte besondes hoch. (Blitzableite). Das Innee eines von einem Leite umgebenden Hohlaums ist fei von Ladung (Faaday Käfig). Gleichnamige Ladungen suchen gößten bstand voneinande, deshalb wanden sie auf die ußenseite des Leites. Besondes wichtig sind die folgenden nodnungen: Schematische Feldvelauf nodnung Punktladung Plattenkondensato. Zwischen den Platten ist das Feld homogen: Die Feldstäke ist konstant und die Feldlinien velaufen paallel. Nu bei unendlich goße Fläche ist das Feld außen exakt null. Bei endlichen Platten gibt es außen das Steufeld. Feldfei im Innen! Faadaysche Käfig. In einem geschlossenen, leitenden Käfig ist die elektische Feldstäke null. Tabelle Die Feldlinien sind schematisch angedeutet: De ganze ußenaum ist mit Feldlinien efüllt und alle Feldlinien münden senkecht auf die Leite ein. Rot: positiv-, gün: negativ geladene Teile. Die unteschiedlichen Stichstäken zeigen qualitativ die vom Ot abhängigen nteschiede in den Betägen de Feldstäken.

V6_Feld.DOC 3 Ein Faadaysche Käfig ist ein mit einem Dahtgitte umgebene Raum. Sein Innees bleibt ohne Ladung, auch wenn die nodnung beliebig hoch aufgeladen wid. Faaday setzte sich mit einem Elektomete in einen Dahtkäfig und wies dessen Ladungsfeiheit im Inneen nach. Seh einducksvoll ist de Vesuch mit dem Faadayschen Käfig in de bteilung fü Stakstomtechnik des Deutschen Museums in München: n einem Kan hängt ein Käfig, in den ein käftige Blitz von einigen kv einschlägt, begleitet von einem gewaltigen Donneschlag. Im Käfig sitzt ein Mitabeite des Museums, de dieses nach dem Blitzschlag unveseht veläßt. Vesuch Ein Dahtkäfig mit Elektomete steht auf eine leitenden Platte mit Elektomete im Inneen des Käfigs. Beide sind zu Ede isoliet. id die nodnung aufgeladen, dann zeigt das Elektomete im Inneen die Ladungsfeiheit. id de Käfig abe abgenommen, dann gehöt das Elektomete im Innenaum zu Obefläche, auf die sich die Ladung von de Bodenplatte veteilt: Es zeigt jetzt die Ladung an. bbildung Zum Vesuch mit dem Faadaykäfig Vesuch 3 Man vesucht, aus dem Inneen eines geladenen Topfes mit eine Kugel Ladung auf ein weitees, davon entfentes Elektomete zu bingen. Das mißlingt, weil das Innee fei von Ladung und Feld ist. Von ußen geht es poblemlos, am meisten Ladung sitzt besten an den Spitzen des Elektometes. bbildung Vesuch: Ladungstanspot von einem Faadaykäfig

V6_Feld.DOC 4 6..3 De elektische Fluß Die elektische Feldstäke wid duch elektische Ladungen ezeugt. us einem einzelnen et de Feldstäke kann abe Ot und Betag de das Feld veusachenden Ladung nicht emittelt weden. Im mechanischen Bild: Mißt man in einem Gavitationsfeld die Schwekaft, dann bleibt ohne weitees issen unkla, ob man sich auf de Ede ode igendwo im Kosmos in de Nähe igendeine anziehenden Masse befindet. Mit Hilfe des Satzes von Gauß Ostogadski kann aus Messungen de elektischen Feldstäken an Punkten im Raum, die ein Volumen umgeben, die in diesem Volumen befindliche Ladung emittelt weden. Man definiet dazu einen skalaen elektischen Fluß φ, in nalogie zu Volumenstomstäke fü die Stömung eine Flüssigkeit. De elektische Fluß ist das Podukt aus eine Fläche und de dot senkecht zu Fläche stehenden Komponente E de Feldstäke E, entspechend dem Podukt de Fläche mal lokale Fließgeschwindigkeit v bei Flüssigkeiten. Man beachte abe, dass es hie um eine eine Feldeigenschaft geht, obwohl de usduck elektische Fluss und sein mechanisches nalogon an den elektischen Stom in einem Leite einnen. Beide Begiffe sind tatsächlich vewandt: In de Elektodynamik wid gezeigt, dass die zeitliche Ändeung des elektischen Flusses ein magnetisches Feld ezeugt, diese ikung entspicht de eines elektischen Stomes. Geometische nodnung von Feldstäke und Fläche Konstante Feldstäke E senkecht zu Konstante Feldstäke senkecht zu Fläche Beliebige Feldstäken in beliebigen Richtungen Otsabhängige Feldstäke in beliebigen Richtungen d Elektische Fluß Φ E Φ E d Tabelle 3 De elektische Fluß: Podukt aus Fläche und de Komponente de Feldstäke senkecht zu Fläche. Vaiiet die Feldstäke mit dem Ot, dann kann de Fluß de gesamten nodnung übe das Integal beechnet weden. 6..3. De Satz von Gauß Ostogadski Summiet man die elektischen Flüsse übe die geschlossene Obefläche eines Volumens, dann ist diese Summe popotional zu Ladung in diesem Volumen, unabhängig von de speziellen ahl de Flächen. Das ist die ussage des Satzes von Gauß Ostogadski. Sind die Flächenelemente seh klein, dann entspicht die Summation de Flüsse de Integation de Feldstäken übe die Obefläche. Ist diese Summe bzw. das Integal ungleich Null, dann befinden sich im umschlossenen Volumen uellen ode Senken de Feldlinien, also positive ode negative Ladungen.

V6_Feld.DOC 5 Volumen und Kaftvektoen auf eine Pobeladung Gleiche Richtung de Feldstäke in mgebung des Volumens nteschiedlich geichtete Feldstäke in mgebung des Volumens > Satz von Gauß Ostogadski: De Fluß aus einem Volumen zeigt die dain befindliche Ladung Φ E d Φ E d ε Tabelle 4 Beechnung de Ladung in einem Volumen duch Messung de Feldstäken in dessen mgebung. De Satz von Gauß Ostogadski fomuliet die Ladung als Funktion de Feldstäke. Zeigt die Ladungsveteilung eine einfache Geometie mit hohe Symmetie, dann kann die Gleichung auch nach de Feldstäke aufgelöst weden: 6..3. Feldstäke eine Punktladung φ E d Obefläche de Kugel ε Feldstäke E :, Flächenelement d E und Punktladung d φ 4 E π E 4πε ε Tabelle 5 Heleitung de Feldstäke eine Punktladung Das Integal ist das Podukt aus Kugelobefläche und Feldstäke: Die Feldstäke im bstand vom Mittelpunkt ist konstant und steht senkecht zu Obefläche ufgelöst nach E: Feldstäke eine Punktladung, sie nimmt bei zunehmendem bstand mit / ab. 6..3.3 Feldstäke eine geladenen Leiteplatte Die Feldstäke eine homogen geladenen, unendlich ausgedehnten Platte steht übeall senkecht zu Obefläche. Feldstäke E Fläche Flächenladungsdichte σ bbildung 3 Volumina zu Beechnung des Flusses aus de negativ geladenen Platte eines Plattenkondensatos.

V6_Feld.DOC 6 Zu Beechnung des Flusses steckt man einen Zylinde beliebige Göße duch die Platte, mit chse paallel zu den Feldlinien. Das Egebnis wid vom ueschnitt des Zylindes unabhängig, wenn man die im Zylinde liegende Ladung mit Hilfe de Flächenladungsdichte σ fomuliet. Man ekennt, dass die Feldstäke in beliebige Entfenung von de Platte konstant und popotional zu Ladungsdichte ist. σ Flächenladungsdichte Φ E d E d + E d + Zylinde Deckel Mantel Boden E d Elektische Fluß duch einen Zylinde Φ E d + E d E E Deckel Boden Die Zylindeachse liegt paallel zu den Feldlinien, deshalb gilt auf de Mantelfläche d E. Dieses Integal ist also Null, es bleiben die nteile von Deckel und Boden Φ E Nach Gauß Ostogadski zeigt de Fluß die ε eingeschlossene Ladung σ E ε ε ufgelöst nach E: Die Feldstäke ist konstant, popotional zu Ladungsdichte und steht senkecht zu de Platte Tabelle 6 Beechnung de Feldstäke in de mgebung eine geladenen Platte 6..3.4 Feldstäke im Plattenkondensato Ein Plattenkondensato besteht aus de Kombination eine negativ mit eine in einem bestimmten bstand paallel dazu montieten positiv aufgeladenen Platte. σ Feldstäke de negativ geladen Patte: E ε σ Feldstäke de positiv geladen Platte: E ε Feldstäke zwischen den Platten: E σ ε ußen - bei unendlich ausgedehnten Platten - ist die Feldstäke exakt null Tabelle 7 Die Feldstäke zwischen den Platten eines Plattenkondensatos ist die Summe de Feldstäken de einzelnen Platten. Die Feldstäken übelagen sich als Vektoen additiv: Bei unendlich goßen Platten ist die Feldstäke im ussenaum exakt null, wähend sie zwischen den Platten doppelt so hoch wie die vo eine einzelnen Platte ist. Bei endliche Plattengöße gibt es am Rand und auf de ußenseite zusätzlich das Steufeld.

V6_Feld.DOC 7 6..4 beit im elektischen Feld, Potential, Spannung 6..4. beit im elektischen Feld Das elektische Feld ist duch die mechanische Kaftwikung F auf eine Ladung definiet. Die Veschiebung eine Ladung in einem elektischen Feld ist deshalb mit beit vebunden. Entlang des egs wikt eine Kaft auf die Ladung, Kaft mal eg ist beit. Das Vozeichen de beit an eine Ladung im elektischen Feld ist positiv, wenn die beit zu Bewegung de Ladung von außen zugefüht wid, negativ, wenn die beit bei Bewegung nach außen abgegeben wid. F q E Kaft auf die Ladung q im Feld E F q E F d q E d beit zu Bewegung de Ladung um ein egstück im konstanten Feld beit zu Bewegung de Ladung zwischen zwei Punkten und in einem otsabhängigen Feld E F q E Beispiel: Bewegung eine positiven Ladung q entlang des eges in einem homogenen, konstanten Feld, das z. B. von eine ausgedehnten Leiteplatte ezeugt sei. Bei Bewegung in Richtung de Kaft ist die beit negativ, weil sich die Ladung von selbst bewegt, d. h. sie könnte z. B. ein Gewicht anheben, also beit nach außen abgeben. Tabelle 8 beit bei Bewegung eine Ladung. Ist die Feldstäke otsabhängig, dann wid de eg in (kleine) Stücke aufgeteilt, entlang denen die Feldstäke als konstant angenommen weden kann. Die einzelnen beiten auf diesen Stücken weden schließlich summiet. Mathematisch ausgedückt: Das Podukt Feldstäke mal eg wid duch das Integal de Feldstäke übe den eg esetzt. 6..4. Das elektische Potential und die elektische Spannung nalog zum Potential in de Mechanik wid in de Elektostatik jedem Punkt im Raum eine skalae Göße, sein elektostatisches Potential ϕ, zugeodnet. Das Potential eines Otes ist die beit, die man veichten muß, um eine Ladung vom Betag von einem Bezugspunkt aus, hie aus unendliche Entfenung, zu diesem Ot zu bingen. Das elektostatische Feld ist wie das Gavitationsfeld konsevativ : Die Übefühungsabeit hängt nu von nfangs- und Endpunkt des eges ab, sie ist unabhängig von de ahl des eg dazwischen. Äquivalent dazu ist die ussage, daß auf geschlossenen egen keine beit zu leisten ode zu gewinnen ist: ählt man einen Rundweg mit unendlich kleinem Radius, d.h. bleibt man an Ot und Stelle, dann wid offensichtlich keine beit geleistet. Ist die beit vom eg unabhängig, dann gilt dies auch auf allen andeen beliebig langen Rundwe-

V6_Feld.DOC 8 gen. Je nach Lage de Feldlinien kann zwa auch auf einem Rundweg auf manchen Teilstücken beit zu leisten sein, sie wid abe auf andeen egstücken wiede gewonnen q E q ϕ ) q ( ϕ Die Übefühungsabeit fü die Ladung q ist popotional zu Diffeenz zwischen den Potentialen an diesen Oten ϕ ϕ E [ ] V ( Volt ) ϕ ( ) q E d Die elektische Spannung ist die Potentialdiffeenz zwischen zwei Oten Elektisches Potential an einem Ot: uotient aus Übefühungsabeit von einem Bezugspunkt, hie nendlich, bis zum Ot, und de Ladung. ϕ ϕ Linien gleichen Potentials und de Spannung zwischen ihnen. Die beit an eine Ladung zu Übefühung entlang de beiden eingezeichneten ege ist gleich. Tabelle 9 Elektisches Potential und elektische Spannung mgekeht kann man aus de Kenntnis des Potentials an unteschiedlichen Oten, dem Potentialvelauf ϕ (), duch bleitung nach den Otskoodinaten die vektoielle Feldstäke E an jedem Ot eechnen. Meh dazu und ein Vegleich de Begiffe fü Enegie in de Elektizitätslehe und de Mechanik findet sich in: http://www.unituebingen.de/uni/pki/skipten/v6 Potvgl.DOC 6..4.3 Potentiale im Plattenkondensato und um eine geladene Kugel Leite sind Ote gleichen Potentials: Die beweglichen Ladungstäge folgen zunächst den Feldstäken, die bei Potentialdiffeenzen aufteten und gleichen diese schließlich aus. In de Mechanik folgt z. B. fließendes asse den Gadienten de Schwekaft und gleicht die Potentialdiffeenzen entlang seines Laufs aus, wenn es einen See bildet. In den folgenden Vesuchen weden mit de Flammensonde die Potentialveläufe fü unteschiedliche ufbauten vemessen. Diese Sonde vemeidet die ufladung de Tastspitze, Ladungen weden duch die Flamme abgefüht. Die Spannung an einem Plattenkondensato wächst linea auf dem eg von eine Platte zu anden.

V6_Feld.DOC 9 ϕ ϕ x Feldlinien und Äquipotentiallinien im Plattenkondensato, Plattenabstand d. Die Platten und alle zu ihnen paallelen Flächen im Zwischenaum sind Flächen gleichen Potentials. d ϕ elx ϕ el E dx E d d Elektische Spannung zwischen den Platten (Die Feldstäke ist konstant) Tabelle Potential und Spannung im Plattenkondensato. Das negative Vozeichen in zeigt, daß die beit nach außen abgegeben wid, wenn bei Übefühung de Ladung geleistet wid, wenn Das Potential eine Punktladung ist als Übefühungsabeit eine Ladung von Betag aus unendliche Entfenung bis zum Punkt definiet: ϕ () Feldlinien (helles oange, die Feldstäke nimmt nach außen ab) und eine Äquipotentiallinie (gelbbaun) eine geladenen Kugel ϕ el ( ) E d d q 4πε 4 πε Das Potential fällt bei zunehmendem bstand mit / Tabelle Feldstäke und Linien gleichen Potentials eine geladenen Kugel Vesuch 4 Potentialvelauf zwischen den Platten eines Kondensatos Vesuch 5 Potentialvelauf im Inneen und Äußeen eines Faadaykäfigs Vesuch 6 Potentialvelauf außehalb eine geladenen Kugel. Die Feldstäke außehalb eine geladenen Kugel ist gleich die eine Punktladung.

V6_Feld.DOC 6..5 Die Kapazität Es ist offensichtlich, daß die Spannungen von den Ladungen abhängen: Ladungen sind die uellen de Feldlinien (Satz von Gauß Ostogadski), die Spannung gibt die Übefühungsabeit de Einheitsladung im von den Ladungen ezeugten Feld an. Die Spannung ist zu Ladung popotional, unabhängig von de äumlichen nodnung de Ladung. Es gilt also imme: C Nm C (Faad) Kapazität C V V C [ ] F De et de Popotionalitätskonstanten C ichtet sich nach de Geometie de nodnung. Fü die geladene Kugel und den Plattenkondensato folgt, bei gleiche Ladung : Punktladung Plattenkondensato Fläche Geometie bstand bstand d Ladung Feldstäke E E 4πε E ε Potential ϕ, Spannung ϕ ( ) 4πε s 4πε ds ε d Kapazität C Leitende Kugel mit Radius R In unendliche Entfenung: ε C C 4πε o R d ϕ( R) Tabelle Ladung, Feldstäke Spannung und Kapazität eine Kugel und eines Plattenkondensatos. Vesuch 7 Eine Platte eines Kondensatos wid aufgeladen, die andee geedet. Ein an die geladene Platte angeschlossenes Elektomete zeigt, dass die Spannung zunimmt, wenn die Platten auseinandegezogen weden: Bei gleichbleibende Ladung des Kondensatos steigt / C d / ε, weil die Kapazität sinkt. die Spannung ( )

V6_Feld.DOC bbildung 4 Velauf de Feldlinien bei unteschiedlichem bstand de Kondensatoplatten. Oben: Bei kleinem bstand lokalisiet die nziehung die Ladungen auf gegenübeliegende Flächen, totz de bstoßung zwischen gleichnamigen Ladungen. Das Steufeld ist um den Spalt begenzt. nten: Bei gößeem bstand veteilen sich die Ladungen auf den Obeflächen de Platten, deshalb wächst die Ladung auf dem Elektoskop, die daduch zum Maß fü die Spannung zwischen den Platten wid. Das Steufeld geift weit in den Raum. Vesuch 8 Eine leitende Kugel wid an de esten Platte (oange) eines Kondensatos aufgeladen und schießt, entspechend de bbildung, duch den Feld efüllten Raum zwischen den duchbohten Platten. Beim ustitt aus de zweiten Platte (gün) wid sie abe vom Steufeld außen wiede zu diese Platte zuückgefüht, wo sie schließlich stehenbleibt. bbildung 5 Das Steufeld außehalb des Plattenkondensatos füht die geladene Kugel zu günen Platte zuück eitee Infomation: Zum Steufeld: http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skipten/v6 Steufeld.DOC Speziell fü eine punktfömige Ladung ist de Zusammenhang zwischen Ladung, Feldstäke und Potential in http://www.unituebingen.de/uni/pki/skipten/v6 Kapazitaet.DOC zusammengefasst. 6..5. Paallel- und Seienschaltung von Kondensatoen eden Kondensatoen paallel geschaltet, dann liegt übe allen Kondensatoen die gleiche Spannung, es addieen sich abe die Ladungen. Bei hinteeinande ( in Seie ) geschalteten Kondensatoen tägt jede Kondensato die gleiche Ladung, dagegen addieen sich die Spannungen übe den einzelnen Kondensatoen zu Gesamtspannung. Vesuch 9 Zunächst wid ein Kondensato aufgeladen und dann übe eine Glühbine entladen. Die Helligkeit des ufleuchtens ist ein qualitatives Maß fü die abfließende Ladung. Jetzt lädt man zwei hinteeinande geschaltete Kondensatoen auf: Bei Entladung bennt die Bine schwäche. De Vesuch wid mit den beiden Kondensatoen paallel geschaltet wiedeholt: Die Bine bennt am hellsten.

V6_Feld.DOC Schaltung Paallel Hinteeinande Schema Gleiche Göße in allen Kondensatoen: ges ges Ehaltung: ges + Nach Division duch die gleiche Spannung bzw. Ladung ges C ges C + C folgt: ges + C ges ges C + C Gesamtkapazität C ges C + C + C ges C C Tabelle 3 Schaltungen von Kondensatoen 6..6 Elektische Feldenegie Beim Laden eines Kondensatos muß elektische Ladung entgegen de auf den Platten entstehenden Spannung auf die Platten tanspotiet weden. Zu Beechnung die Enegie eines geladenen Kondensatos geht man von de Spannung aus, die unmittelba die beit po Ladung angibt. eil sich mit zunehmende Ladung auch die Spannung ändet, stellt man die beit als Integal de von de Ladung abhängigen Spannung nach de Ladung da. Fomel d ( ) d d C q dq C C C ε C d E d nmekung Zuwachs de Enegie bei Zunahme de Ladung, daaus folgt nach Integation Enegie des geladenen Plattenkondensatos C ε d E d V d Volumen des Kondensatos V ε Die Enegiedichte im Plattenkondensato ist zum uadat de Feldstäke popotional E Tabelle 4 Enegie des geladenen Kondensatos

V6_Feld.DOC 3 Vesuch Elektostatisches Pendel: Eine Kugel löffelt die Ladung in kleinen Potionen von eine Platte zu andeen: Man sieht die bnahme de Spannung. 6..6. Die Kaft zwischen den Platten eines Kondensatos Ist die Enegie als Funktion des eges bekannt, dann folgt aus Diffeentiation nach dem eg die Kaft, hie also die Kaft auf die Platten des Kondensatos. F d dx C ε x E ε E beit, um die Platten eines Kondensatos mit Feldstäke E zwischen den Platten auf den bstand x zu bingen. uf die Platten wikende, anziehende Kaft E Gilt im Plattenkondensato, eingesetzt folgt: d F ε Die Kaft auf die Platten eines Kondensatos d Tabelle 5 Heleitung de Kaft auf die Platten eines Kondensatos ist popotional zum uadat de Spannung Vesuch Kichhoffsche Potentialwaage. n de aage Hen Gugels Meistestück hängt ein usschnitt eine Platte eines Kondensatos. De Kondensato wid mit volle und halbiete Spannung aufgeladen, die ückteibende Kaft de aage übe einen Tosionsmechanismus nachgestellt, so daß die Platte jeweils in gleichem bstand zu benachbaten bleibt. Bei halbe Spannung geht die Kaft auf ¼ ihes etes bei volle Spannung zuück. id die Kaft übeschitten, dann hebt die Platte nach oben ab: De geingfügig gößee bstand veinget die Kaft auf die Platten. Tosionskaft Vestellung Schutzingkondensato bbildung 6 Kichhoffsche aage. Das Gewicht de Kondensatoplatte ist austaiet. Mit de Tosionsfede wid die Kaft duch das Feld auf die geedete Platte ausgeglichen, damit de bstand im Kondensato konstant bleibt. De geedete Schutzing fängt das Steufeld ab. (Zuück zu http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skipten/skipten.html)