Zuletzt geändert: Di, 11.10.2005

«K12/K13» 11. Hausaufgabe «PDF», «POD»




0.0.1 ↑ 11. Hausaufgabe

0.0.1.1 ↑ Zusammenfassung der Seiten 188–190 und der Doppelstunde
Kraftvektoren

Bei einem elektrischen Feld kann man jeden Punkt (x,y,z)(x,y,z) einen zugehörigen Kraftvektor \vec F(x,y,z)F→(x,y,z) zuordnen. Dieser Kraftvektor gibt an, welche Kraft auf eine Probelandung, die sich bei (x,y,z)(x,y,z) befindet, wirkt.

Es gilt: \vec F(x,y,z) = Q \vec E(x,y,z);F→(x,y,z) = QE→(x,y,z); (\vec EE→ ist die elektrische Feldstärke, der "Ortsfaktor" von elektrischen Feldern.)

Feldlinien

Nun könnte man viele Kraftvektoren in ein Diagramm einzeichnen. Der Übersicht halber gibt es aber auch eine andere Möglichkeit: Feldlinien geben die Richtung der wirkenden Kräfte an; die Dichte der Feldlinien ist ein Maß für die Größe der Vektoren.

Feldlinien sind, ebenso wie Felder selbst, nicht materiell erfassbar.

Äquipotenziallinien/-flächen ("Höhenlinien")

Senkrecht zu den Feldlinien stehen die Äquipotenziallinien. Mit Hilfe dieser Linien kann man das Potenzial ablesen. Jeder Punkt auf einer Äquipotenzialllinie bzw. -fläche verfügt über ein gleich großes Potenzial.

Potenzial

Das Potenzial eines Punktes P_1P1 gegenüber einem anderen Punkt P_0P0 gibt an, wie viel Arbeit man in eine Probeladung, welche sich am Punkt P_1P1 befindet, hineinstecken muss, damit sie zu P_0P0 gelangt.

Die Einheit des elektrischen Potenzials ist \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}J C, welche sich durch Umformung zu \mathrm{V}V reduzieren lässt.

\varphi_{0,i} = \frac{W_{0,i}}{Q};ϕ0,i = W0,i Q ;

Spannung

Die elektrische Spannung gibt den Potenzialunterschied zwischen zwei Punkten an.

Obwohl die Einheit der Spannung, \mathrm{V}V, der des Potenzials entspricht, darf man nicht blind Spannungen mit Potenzialen vergleichen, genausowenig wie man die Höhe eines Körpers gegenüber dem Fußboden (gemessen in \mathrm{m}m) mit der Höhe des Körpers selbst (ebenfalls angegeben in \mathrm{m}m) vergleichen darf.

U_{a,b} = \varphi_{x,b} - \varphi_{x,a};Ua,b = ϕx,b − ϕx,a; (Die Spannung ist vom gemeinsamen Bezugspunkt xx der Potenziale unabhängig, da er sich herausrechnet.)

0.0.1.2 ↑ Buch Seite 189, Aufgabe 1

Zwischen zwei parallelen Platten liegt die Spannung U = 1{,}5 \,\mathrm{kV}U = 1,5kV. Welche Energie ist erforderlich, um die Ladung Q = 8{,}2 \,\mathrm{nC}Q = 8,2nC von einer Platte zur anderen zu transportieren?

W = Q U = 1{,}2 \cdot 10^{-5} \,\mathrm{J};W = QU = 1,2 ⋅ 10−5J;

0.0.1.3 ↑ Buch Seite 189, Aufgabe 2

Wie groß ist nach Abb. 188.2 das Potenzial der negativ geladenen Platte, wenn der Bezugspunkt P_0P0 im Abstand 3 \,\mathrm{cm}3cm von ihr entfernt im Feld liegt? Geben Sie die ss-\varphiϕ-Funktion als Gleichung an.

\varphi_{\text{negativ geladene Platte}} = -150 \,\mathrm{V};ϕnegativ geladene Platte = −150V;

\varphi(s) = 50 \,\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{cm}} \cdot s + \varphi_{\text{negativ geladene Platte}} = 50 \,\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{cm}} \cdot s - 150 \,\mathrm{V};ϕ(s) = 50 Vcm ⋅ s + ϕnegativ geladene Platte = 50 Vcm ⋅ s − 150V;

0.0.1.4 ↑ Buch Seite 189, Aufgabe 3

Warum sinkt das Potenzial im Feld eines positiv geladenen Körpers mit wachsendem Abstand?

\left.\begin{array}{l} {} \varphi_{0,i} = \frac{W_{0,i}}{Q} = \frac{QEa}{Q} = Ea; \\ {} a \text{ wird kleiner}; \end{array}\right\} \Rightarrow \varphi_{0,i} \text{ sinkt mit wachsendem Abstand}; ϕ0,i = W0,i Q = QEa Q = Ea; a wird kleiner; ⇒ ϕ0,i sinkt mit wachsendem Abstand;

0.0.1.5 ↑ Buch Seite 189, Aufgabe 4

Zwischen zwei Platten mit einem Abstand von d = 1{,}8 \,\mathrm{cm}d = 1,8cm besteht ein elektrisches Feld der Stärke E = 85 \,\frac{\mathrm{kN}}{\mathrm{C}}E = 85kN C . Die negative Platte ist geerdet. Welches Potenzial hat die andere Platte gegenüber Erde (\varphi_{\text{Erde}} = 0 \,\mathrm{V}ϕErde = 0V)?

\varphi = Ed = 1{,}5 \cdot 10^3 \,\mathrm{V};ϕ = Ed = 1,5 ⋅ 103V;

(Benötigte Zeit: 41 min)