Aufgaben vom 10.12.18

1 - Erdmagnetfeld

1. Horizontalkomponente nach Norden, linke-Hand-Regel ergibt Kraft nach unten.
2. F = B*I*s = 0,000019T * 100A * 100m = 0,19 N
3. linke-Hand-Regel ergibt Kraft nach Süden mit F = B*I*s = 0,63 N
   Beide Komponenten kann man mit Pythagoras addieren und erhält eine Gesamtkraft von 0,7 N

2 - Schwebender Draht

1. Gewichtskraft und Lorentzkraft im Gleichgewicht
   m*g = B*I*s         umstellen nach B
   B = m*g/(I*s) = 0,49 N /(30 A * 1 m) = 0,016 T = 16 mT
   was nicht so viel ist, ein einigermaßen kräftiger Hufeisenmagnet hat das zwischen seinen Armen.

3 - alpha-Teilchen

1. F = q*v*B
   v berechnen aus 1/2 m v² = q U_A zu v = Wurzel(2 q U_A/m) = 4391 m/s
   ergibt F = 1,69*10^-16 N
2. Die Kraft muss ausgeglichen werde durch die elektrische Kraft
   F = q*E  = q*U/d.
   Die Spannung muss also den Betrag haben:
   U = F*d/q = 6,3 V

4 - Hall-Sonde

1. Hall-Konstante aus umgestellter Gleichung
   R = U*d/(I*B) = -0,0206V*0,00100m/(0,030A*0,106T) = -0,00648 m³/C
   (das ist die Einheit der Hall-Konstante, das Inverse einer Ladungsdichte. Ihr könnt  es auch nachprüfen, indem ihr z.B. bei Spannung V=J/C und so weiter einsetzt und dann alles rauskürzt)
2. n = 1/(e*R) = 9.65*10^20 m^-3
   Das heißt so viele (oder wenig) frei bewegliche Elektronen pro Kubikmeter Material.
3. Vergleich mit der Atomdichte
   rho = n*m also Massendichte ist Teilchendichte mal Masse pro Teilchen
   n = rho/m = 5330kg/m³ / (1.206*10^-25 kg) = 4,42*10^28 m^-3
   also viel, viel, viel mehr Atome als freie Elektronen
   Das Verhältnis ist 4,58*10^6, es kommt also nur ein bewegliches Elektron auf fast 5 Millionen Atome. Das ist sehr wenig, weshalb die Elektronen ganz schön schnell sich bewegen müssen, also fast 5 Millionen mal schneller als in einem Metall, wo typischerweise jedes Atom ein Leitungselektron liefert. Daher ist dort auch die Lorentzkraft auf die Elektronen recht groß und die Hall-Spannung ganz gut messbar.

5 - Spule mit Magnetfeld

1. B = my*N/l*I umgestellt zu
   my = B*l/(I*N) = 0,000840T*0,70m/(1,5A*300) = 1,3*10^-6 Tm/A

Kondensator

Quizfragen:
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/aufgaben#lightbox=/themenbereiche/ladungen-felder-oberstufe/lb/quiz-kondensator

Millikan-Versuch

Interaktives Arbeitsblatt zum Millikan-Versuch. Alles ist schrittweise erklärt in den Links, hier ist nur eine grobe Übersicht.

Einfachere Variante. Stelle die Spannung U so ein, dass ein Tröpfchen schwebt. Ein Mausklick auf das Tröpfchen zeigt seinen Radius. Berechne daraus sein Gewicht (minus Auftrieb) und so die elektrische Kraft. Daraus ergibt sich die Tröpfchenladung q. Wiederhole für mehrere Tröpfchen.
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/versuche/millikan-versuch-schwebemethode-simulation

Schwierigere Variante. Im echten Versuch kann man die Tröpfchengröße nicht sehen. Die Tröpchen erscheinen als leuchtende Punkte. Man bestimmt die Größe über die Sinkgeschwindigkeit, wenn man die Tröpfchen fallen lässt, nachdem die Spannung wieder ausgeschaltet wurde. Aus der Formel der Luftreibung ergibt sich so die Tröpfchengröße und damit Gewicht und Ladung q.
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe/versuche/millikan-versuch-schwebe-fall-methode

Themen und Aufgaben für die Klausur

Im Buch ist vieles schön erklärt und einige unserer Versuche sind in den Bildern dargestellt.
Wir hatten die Teilkapitel 1.1.1 bis 1.1.7 auf den Seiten 14 bis 25.
Im Kapitel 1.1.8 sind wir bis auf Seite 27 zur Gleichung (1.18) gekommen. Das war euer Versuch, also ihr mitverfolgt habt wie sich der Kondensator entlädt.

Schaut auch ruhig die blauen Textfelder, z.B. Gewitter oder Faraday-Käfig an. Versucht auch das zu verstehen und in das übrige einzuordnen.

Bei leifiphysik findet ihr noch schöne Videos und weitere Aufgaben im entsprechenden Kapitel: https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-oberstufe

Aufgaben und kleine Hinweise.
S31:
1 vor allem Versuche aus der ersten Woche
2 Q=I*t
3 Polarisation im Vergleich zu frei beweglichen Ladungen
4 Elektronen haben eine kleine Masse
5 einmal sigma=eps0*epsr*E und einmal Coulombgesetz
6 bei den 5° müsst ihr mit Kräfteaddition und tangens argumentieren. Nach unten wirkt m*g und seitlich wirkt die elektrische Kraft, also das elektrische Feld.
7 den Versuch habe ich vorgeführt
8 sag ich mal nichts
9 hatten wir glaub schon im Unterricht. Achtet auf die Umrechnung 10000cm²=1m².

Weitere Aufgaben
S46 und 47
1,2,3,4,6,7 (Energie), 10, 11 (Löffelchen :-) oder auch euer Entladeversuch), 14 (mit F=m*a), 15a, 16, 17 (vielleicht ohne d)

Übungsblatt vom 25.10.

Aufgabe 1

1. Coulombkraft. Beide Ladungen einsetzen, Abstand r.  F=5.4*10^-8 N
2. Feld von der einen Ladung:  1/(4 pi eps0) Q1/r²
   Feld von der anderen Ladung:  1/(4 pi eps0) Q2/r²
   Die Beträge beider Felder müssen addert werden, weil sie in die gleiche Richtung zeigen.
   Ergebnis: E=180 N/C bzw. 180 V/m

Aufgabe 2

1. sigma = Q/A = Q/(4 pi r²) = 6.4*10^-10 C/m²
2. E = sigma/eps0 = 72 N/C
3. Einsetzen in die Coulombformel  1/(4 pi eps0) * Q/r² ergibt das Gleiche
4. phi = 1/(4 pi eps0) * Q/r = 7.2 V
5. Das entspricht auch der Spannung U zwischen Kugeloberfläche und Punkten in unendlicher Entfernung. Damit ist C = Q/U = 8*10^-11 C / 7.2 V = 1.1*10^-11 F = 11 pF
6. U = phi = 1/(4 pi eps0) * Q/r
   C = Q/U = 4 pi eps0 * r
   das heißt, je größer eine Kugel, desto größer ihre Kapazität, also desto mehr Ladung kann sie tragen, wenn sie eine bestimmte Potentialdifferenz zum Unendlichen hat. Je größer, desto mehr: klingt logisch.

Aufgabe 3

1. Die Ladung zieht Elektronen an. Es ergibt sich ein negativ geladener "Fleck" um den Lotfußpunkt herum. Zu dicht können die Elektronen nicht werden, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Je größer die Ladung, desto dichter.
2. Hier die mit geogebra berechneten Äquipotentialflächen (d.h. Linien, weil wir nur einen Querschnitt zeichnen können)

Aufgabe 4
Beschreibt euren Versuch.

Aufgabe 5
C = eps0 * epsr * A/d = 1.2*10^-8 F = 12 nF

Vorschläge für GFS

da verweise ich auf meinen Eintrag von vor drei Jahren: https://viererphysik.blogspot.com/2015/09/vorschlage-fur-gfs.html

Äquipotentiallinien bzw. -flächen

Versuchsaufbau
Das Papiertuch wird mit Salzlösung angefeuchtet.
Das rote und das blaue Kabel, die vom Netzgerät zu den Klammern führen, bringen das Potential bzw. das elektrische Feld in das feuchte Papier.
Mit dem schwarzen Kabel tastet ihr das Papier ab und könnt so für jeden Punkt den Spannungsunterschied zur Klammer am blauen Kabel (Minuspol) messen.
Findet die "Höhenlinien" mit ganzzahligen Potentialen.

Elektrisches Feld

Coulombkraft in einer Simulation mit kleinen Aufgaben: https://www.geogebra.org/m/ay8zpeug