Elektrisches Feld punktförmiger Ladungen

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Elektrisches Feld punktförmiger Ladungen Übung
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Gib an, was in diesem Bild physikalisch nicht korrekt ist.
TippsDas elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. Zur grafischen Veranschaulichung zeichnet man sogenannte Feldlinien ein.
Feldlinien verlaufen von einer Ladung zur anderen.
Die Feldlinien verlaufen von der positiven Ladung zur negativen Ladung.
LösungDas elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. Zur grafischen Veranschaulichung zeichnet man so genannte Feldlinien ein.
Diese Feldlinien besitzen verschiedene Eigenschaften. Eine davon lautet: Feldlinien durchkreuzen sich niemals und laufen auch niemals zusammen.
Dies ist oben im Bild jedoch falsch eingezeichnet worden.
Bemerkung: Warum dieser Fehler jedoch absichtlich begangen wurde, kannst du dir im Video erneut anschauen.
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Gib zu den gegebenen Formelzeichen die passenden physikalischen Größen an.
Tipps$\epsilon$ ist eine materialabhängige Konstante.
$r$ ist eine physikalische Größe, welche auch außerhalb der Elektrizitätslehre genutzt wird.
LösungMit Hilfe der Gleichung $\Phi = \frac{1}{4\cdot \pi\cdot \epsilon} \cdot \frac{Q}{r}$ kann das elektrische Potential $\Phi$ einer Punktladung berechnet werden.
Dabei sind drei physikalische Größen zu berücksichtigen. Einerseits ist die Ladung $Q$ zu ermitteln, welche sich im elektrischen Feld befindet. Weiterhin ist der Abstand zur Ladung $r$ zu berücksichtigen. Es gilt nämlich: je größer der Abstand, desto kleiner das elektrische Potential.
Die letzte relevante Größe ist die elektrische Feldkonstante $\epsilon$, welche abhängig von dem Material ist, in welchem sich das elektrische Feld befindet.
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Gib an, in welchem Verhältnis Feldlinien zu Äquipotentiallinien stehen.
TippsStell die vor, du hebst eine Milchtüte im Gravitationsfeld an. Wo laufen die Feldlinien des Gravitationsfeldes entlang? Wo laufen die Äquipotentiallinien lang?
Feldlinien geben an, in welche Richtung das Potential größer bzw. kleiner wird.
Äquipotentiallinien geben an, in welche Richtung sich das Feld nicht verändert beziehungsweise in welche Richtung das Potential immer gleich groß ist.
LösungUm diese Aufgabe lösen zu können, solltest du dich fragen, was der Unterschied zwischen einer Feldlinie und einer Äquipotentiallinie ist.
Feldlinien geben an, in welche Richtung das Potential größer bzw. kleiner wird. Äquipotentiallinien geben an, in welche Richtung sich das Feld nicht verändert.
Ein passendes Beispiel ist die Erdanziehung. Hebst du eine Milchtüte hoch (Feldlinien zeigen nach unten), erhöhst du dabei das Potential der Milchtüte. Es gibt nur eine Möglichkeit, die Milchtüte zu bewegen, ohne ihr Potential zu verändern: nämlich parallel zur Erdoberfläche (senkrecht auf den Feldlinien).
Daher müssen die Feldlinien senkrecht auf den Äquipotentiallinien stehen.
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Gib an, welche Aussagen über Feldlinien und Äquipotentiallinien korrekt sind.
TippsWas ist der Unterschied zwischen Feldlinien und Äquipotentiallinien?
Ist die Richtung von Bedeutung?
LösungUm diese Aufgabe lösen zu können, solltest du dich fragen, was der Unterschied zwischen einer Feldlinie und einer Äquipotentiallinie ist.
Feldlinien geben an, in welche Richtung das Potential größer bzw. kleiner wird und haben somit eine feste Richtung.
Äquipotentiallinien geben an, in welche Richtung sich das Feld nicht verändert und haben somit keine feste Richtung.
Die Feldlinien einer gleichgroßen positiven und negativen Ladung unterscheiden sich somit in der Richtung. Es gilt: Feldlinien sind bei gleichgroßen positiven und negativen Ladungen nicht gleich.
Die Äquipotentiallinien haben jedoch keine Richtung und verlaufen bei gleichgroßen Ladungen (egal ob positiv oder negativ) gleich.
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Gib die Richtung der Feldlinien an.
TippsStelle dir eine Ladung mit einem elektrischen Feld vor. Lassen sich alle Antworten oben eindeutig zuordnen?
Wo ist beispielsweise die rechte Seite einer Ladung?
LösungDas elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. Zur grafischen Veranschaulichung zeichnet man sogenannte Feldlinien ein, welche wichtige Eigenschaften eines elektrostatischen Feldes wiedergeben.
Diese Feldlinien haben immer eine Richtung, welche durch kleine Pfeile auf den Linien angegeben wird. Feldlinien verlaufen immer von der positiven Ladung zur negativen Ladung.
Somit gilt: Feldlinien im elektrischen Feld verlaufen immer von plus nach minus.
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Gib das elektrische Potential $\Phi$ zu folgenden gegebenen Werten an: $\epsilon =8,85\cdot 10^{-12}~\frac{A\cdot s}{V\cdot m}$, $Q=1,602\cdot 10^{-19}~C$, $r=20~nm$.
TippsSchreibe dir die gegebenen und gesuchten Größen auf.
$\Phi = \frac{1}{4\cdot \pi\cdot \epsilon} \cdot \frac{Q}{r}$
Hast du das Ergebnis richtig gerundet?
LösungUm diese Aufgabe lösen zu können, schreiben wir zuerst die gegebenen und gesuchten Größen auf, halten die Formel zur Berechnung fest, setzen die Zahlenwerte ein und formulieren einen Antwortsatz.
Gegeben: $\epsilon =8,85\cdot 10^{-12}~\frac{A\cdot s}{V\cdot m}$, $~~~~$ $Q=1,602\cdot 10^{-19}~C$, $~~~~$ $r=20~nm$.
Gesucht: $\Phi$ in $mV$
Formel: $\Phi = \frac{1}{4\cdot \pi\cdot \epsilon} \cdot \frac{Q}{r}$
Berechnung: $\Phi = \frac{1}{4\cdot \pi\cdot 8,85\cdot 10^{-12}~\frac{A\cdot s}{V\cdot m}} \cdot \frac{1,602\cdot 10^{-19}~C}{20 \cdot 10^{-9}~m}=0,072024 ~\frac{C \cdot V \cdot m}{A \cdot s \cdot m}=0,072024 ~\frac{A\cdot s \cdot V}{A \cdot s}=0,072024 ~V=72,02~mV$
Antwortsatz: Das elektrische Potential $\Phi$ beträgt $72,02~mV$.
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