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Elektrische Ladung

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 1. Die elektrische Ladung
1.1 Wiederholung - Ladungsarten und ihre Eigenschaften
Ladungsarten:
1) elektrische positive Ladungen: z.B. Proto

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Elektrische Ladung, Elektrisches Feld, Feldlinienmodell, Ladungsarten, Elektrische Feldstärke, Bewegungen von geladenen Körpern

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1. Die elektrische Ladung 1.1 Wiederholung - Ladungsarten und ihre Eigenschaften Ladungsarten: 1) elektrische positive Ladungen: z.B. Proton p* 2) elektrische negative Ladungen: z.B. Elektronen e -> durch Reibung von Körpern und elektrochemische Vorgänge erfolgt Ladungstrennung (Abtrennen einzelner Elektronen aus den Atomen eines Stoffes) -> positiv geladene Körper besitzen einen Elektronenmangel -> negativ geladene Körper besitzen einen Elektronenüberschuss Eigenschaften von Ladungen: kleinste Ladung ist die Elementarladung (Betrag der Ladung von Elektron und Proton Nachweis von Ladungen über die Kraftwirkung: ● Lernbereich 4: Elektrische Ladung ● ● Zwischen gleichartig geladenen Körpern wirken Abstoßungskräfte. -00-00- + 1.2 Physikalische Größe: Elektrische Ladung Gleichung: Einheit: • elektrische Ladungen sind übertragbar, können gespeichert und verschoben werden. Q=n•e Bedeutung: Die elektrische Ladung gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss bzw. -mangel eines Körpers ist. Formelzeichen: Q ein Coulomb + -19 e = 1,602 10"C Messgerät: Galvanometer Zwischen ungleichartig geladenen Körpern wirken Anziehungskräfte. + n Z.... Anzahl der Ladungen e Elementarladung [Q] = 1C = 1A • s Nachweisgerät: Elektroskop In einem abgeschlossenen System ist die elektrische Ladung eine Erhaltungsgröße: Qges = const 2. Das Elektrische Feld 2.1 Begriff Im Raum um einen elektrisch geladenen Körper bzw. elektrische Ladungsträger existiert ein elektrisches Feld. In diesem Feld werden auf elektrische Ladungen Kräfte ausgeübt: Eigenschaften des elektrischen Feldes (EF) • statisches EF: EF ist zeitlich begrenzt EF beschreibt besonderen Zustand des Raumes • im EF sind Kräfte auf andere Ladungsträger nachweisbar ● Verschiebung von freien Ladungsträgern in neutral leitenden Körpern (Influenz) Polarisation in Isolatoren: Moleküle werden zu kleinen Dipolen Beschleunigung von freien Ladungsträgern in...

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Leitern EF ist Träger von elektrischer Energie EF existieren real Arten von EF: homogenes EF = an allen Stellen gleich stark + Feld zwischen zwei entgegengesetzten Platten inhomogenes Feld = an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark Radialfeld Feld zwischen zwei entgegengesetzten Punktladungen + Achtung: Das Feld außerhalb der zwei entgegengesetzten Platten ist wieder inhomogen. Modell: Feldlinienmodell • Feldlinien geben in jedem Punkt des Raumes die Richtung der Kraftwirkung für eine positive Probeladung an Feldlinien zeigen immer von + zu - ● e Ein- und Austritt erfolgt immer senkrecht zur Oberfläche des geladenen Körpers →Feldlinien beginnen und enden an Ladungen; sie sind nicht geschlossen (EF wirbelfreies Quellenfeld) ● je dichter die Feldlinien liegen, desto stärker ist das EF (Betrag der Kraftwirkung) • Aber: auch da wo keine Feldlinien eingetragen sind, wirken die Kräfte des Feldes! 2.2 Physikalische Größe: Elektrische Feldstärke Bedeutung: Die elektrische Feldstärke gibt in jedem Punkt an, wie groß die Kraft auf einen elektrisch geladenen Probekörper im EF ist. Formelzeichen: E Gleichung: E= Einheit: Messgerät: Elektrofeldmesser ● ges: F ILLO Übung: homogenes EF zwischen zwei entgegengesetzten Platten; Betrag und Richtung von E überall gleich Gleichung: E = U/d F....Kraft auf positive Probeladung Q...Ladung des Probekörpers ein Volt je Meter [E]= 1 N/C = 1 V/m U... anliegende Spannung zwischen den Platten d... Abstand der Platten geg: Q = 5 nC 5.10⁹ C E = 130 V/m = 130 N/C - Lösung: = F=E·Q=130²·5·10° C F=6,5-107 N 2.3 Bewegungen von geladenen Körpern im homogenen EF 2.3.1 Bewegungen längs der Feldlinien Skizze: Vorgang: ● ● + 1) zu Beginn: Probeladung befindet sich in Ruhe in homogenen EF mit anliegender Spannung U v=0 Eo=Ekin=0 2) Beschleunigung durch Kraftwirkungen des EF (Ursache) Gleichung für die Beschleunigung des Körpers im EF (v =0) 1. Ansatz: F= E.Q 2. Ansatz: F=m·a Gleichung liefert: umstellen nach a: TV 3) am Ende: Potenzielle Energie E pot vom Feld wurde in kinetische Energie Ekin der Probeladung umgewandelt. 1. Ansatz: O Gleichung: E = Q.U = 1 m 2 m.v² • Feldstärke E im ganzen Feld konstant Die Probeladung führt eine beschleunigte Bewegung aus (v. = 0) F=EQ=ma E.Q a = m Gleichung für die kinetische Energie beschleunigter Probeladungen: Das EF leistet Beschleunigungsarbeit 2. Ansatz: kinetische Energie Ekin W₁₂ = QU entspricht der geleisteten Arbeit W₁-Ekin E... Energie der Probeladung E... elektrische Feldstärke Sonderfall: Die Energie eines durch 1v beschleunigten Elektrons nennt man ein Elektronenvolt (1eV) E = Q • U = 1e • 1V = 1eV = 1,602 • 10 J 2.3.2 Bewegungen senkrecht zu den Feldlinien Skizze: 0 + Bewegungsarten, die sich überlagern: 1) gleichförmig, geradlinige Bewegung mit in x-Richtung (senkrecht zu den Feldlinien) -Übung: tu 2) gleichmäßig, beschleunigte Bewegung in y-Richtung: a resultiert aus der wirkenden Feldkraft F (längs der Feldlinien) konstant wirkende Feldkraft F mit F = E • Q = U/d • Q in y-Richtung ges: v Berechne die Geschwindigkeit von e, die eine Beschleunigungsspannung von 300V hat. Lösung: Ekin = QU = m.va geg: Q = 1,602 10 1⁹℃ m = 9,109 10 Kg (im Tafelwerk) -31 U = 300V 2.1,602·10 19 C-300V 9,109-10-31 Kg v = 10.272.390,72 m/s 2.Q.U V = 1 m

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