Aufgaben zu den Grundlagen über Felder

Fern- und Nahwirkungstheorie

Formulierungen und Übersetzungen

Durch die verschiedenen Theorien hat man mindestens drei verschiedene Möglichkeiten den gleichen Sachverhalt auszudrücken:

1. als Fernwirkung
2. als Nahwirkung: "Probekörper"
3. als Nahwirkung: "aktives Feld"

1) Ordne die Aussagen einer der Theorien zu

a) Sonne und Erde ziehen sich an.

b) Die Kompassnadel richtet sich im Erdmagnetfeld aus.

c) Der geriebene Luftballon zieht die Papierschnipsel an.

d) Apfel und Erde werden zueinandergezogen.

e) Die positiv geladene Kugel und die negativ geladene Kugel ziehen sich an.

f) Das Magnetfeld zwischen Nord- und Südpol zieht die beiden Pole aufeinander zu.

2) Formuliere die obigen Aussagen in allen drei Theorien.

Graphische Darstellung von Feldern

• Zeichnen Sie das Feld folgender Situationen.
• Erklären Sie jeweils mit Hilfe von Druck und Zugspannungen, wie das Feld zieht und drückt.

1. Ein langer Stabmagnet
2. Ein Scheibenmagnet
3. Eine "kleine" Ladung in einem homogenen Feld.
4. drei Stabmagnete aneinandergereiht
5. Erde und Mond
6. Ein Dipol mit großem und mit kleinem Abstand.
7. Ein Dipol mit ungleicher Ladungsverteilung. (Wie sieht der aus großer Entfernung aus?)

Feldstärke

1) Gravitation auf der Erde und auf anderen Himmelskörpern

a) Wie groß ist die Gravitationsfeldstärke auf der Erde ungefähr?

b) Die Gravitationsfeldstärke auf dem Mond beträgt nur [math]1{,}62\,\rm \frac{N}{kg}[/math]

Wie groß ist die auf dich wirkende Kraft auf dem Mond?

c) Ergänze die Tabelle

Planet Feldstärke(N/kg) Masse(kg) Kraft(N)
Merkur                   80          296
Venus    8,87            75           
Erde                     12,7        124
Mars     3,69                       3690
Jupiter                  75         1725

2) Kraftwirkung im elektrischen Feld

Eine positiv geladene Kugel trägt [math]5\,\rm nC[/math] Ladung. Welche Kraft wirkt auf die Kugel in einem elektrischen Feld der Stärke [math]10\,\rm \frac{kN}{C}[/math]?

3) Berechnung der magnetischen Ladung

Der Nordpol eines langen Stabmagneten befindet sich in einem Magnetfeld der Stärke [math]80000\,\rm\frac{N}{Wb}[/math]. Dort erfährt der Nordpol eine Kraftwirkung von [math]0{,}5\,\rm N[/math]. Wieviel magnetische Ladung trägt der Nordpol?

4) Definition der Feldstärke

Warum ist es bei der Festlegung der Feldstärke als Ortsfaktor wichtig, dass die Größe der wirkenden Kraft proportional zur Menge der Probeladung ist, also bei doppelter Probeladung auch die doppelte Kraftwirkung zu beobachten ist?

5) Tischtennisball im geladenen Kondensator

Durch eine vorhergehende Messung kennt man die elektrische Feldstärke in einem Kondensator. Sie beträgt [math]100000\,\rm \frac{N}{C}[/math]. Ein Tischtennisball mit der Masse 2,3g wird an eine 30cm lange Schnur in das Feld gehängt und elektrisch geladen. Die Schnur hängt nun nicht mehr senkrecht nach unten, sondern ist um einen Winkel von 4° ausgelenkt.

Welche Ladung trägt der Tischtennisball?

Durch das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten erfährt der geladene Ball eine Kraftwirkung.

6) Das elektrische Feld der Erde

Durch den Sonnenwind, ein Strom elektrisch geladener Teilchen, und kosmische Strahlung werden negativ geladene Teilchen von der Erde weggeschleudert und die Erde positiv geladen. Bei wolkenlosen Himmel hat das dadurch enstehende elektrische Feld eine Stärke von ca. 200 N/C.

Bei Gewittern treten Feldstärken von 30000 N/C auf.

Ein kleiner Wassertropfen hat eine Masse von 0,001g. Wie muss der Tropfen geladen sein, damit er bei wolkenlosen Himmel (bei einem Gewitter) in der Luft schweben kann?

Potential

1) Potentialunterschiede am Schauinsland

Der Schauinsland im Schwarzwald hat eine Höhe von 1284 ü NHN, die Stadt Freiburg liegt am Fuße des Schauinslands auf 278 ü NHN.

a) Wieviel Energie benötigt man, um eine Wasserflasche mit 1kg Masse (einen Rucksack mit 15kg Masse) von Freiburg auf den Schauinsland zu bringen?

b) Wie groß ist die Potentialdifferenz zwischen Freiburg und dem Schauinsland?

c) Das Nullniveau der potentiellen Energie soll auf Meereshöhe liegen. Berechne das Potential des Gravitationsfeldes für Freiburg und den Schauinslandgipfel.

d) Zeichne das Gravitationsfeld oberhalb von Freiburg mit Hilfe einiger Feldlinien und den Potentialflächen von 0J/kg, 2000J/kg, 4000J/kg, ... , 14000J/kg.

2) ein Plattenkondensator

Die beiden Platten eines Kondensators werden an eine Hochspannungsquelle von 10kV angeschlossen. Der Abstand zwischen den Platten beträgt 5cm. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass sich das elektrische Feld ausschließlich zwischen den Platen befindet.

a) Zeichne den Kondensator und das Feld mit Hilfe von einigen Feldlinien und den Potentialflächen von 0V, 2kV, 4kV, ... , 10kV.

b) Wie groß ist die Stärke des elektrischen Feldes zwischen den Platten?

3) Eine Batterie

Ein geladener Akku hat eine Spannung von 1,2V. Der Akku wird mit einem 1m langem Kabel kurzgeschlossen, wodurch das Kabel erwärmt wird. (Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass die Spannung dabei zeitlich konstant ist.)

a) Wieviel Energie erhält ein Elektron von der Batterie, wenn es vom Minuspol bis zum Pluspol geschoben wird?

b) Wie groß ist die Feldstärke im Kabel?

c) Welche Kraft wirkt auf das Elektron?

d) Auf dem Akku steht "2000mAh". Das bedeutet, dass er bis er "leer" ist, also keine Energie mehr enthält, eine elektrische Ladungsmenge von 2C durch das Kabel schiebt.

Wieviel Energie kann der Akku speichern?