MINT lernen

Elektrische Felder

Jetzt wird kombiniert: mehrere Schritte, umgestellte Formeln und Aufgaben zu elektrischen Feldern und Kondensatoren, die du erst durchdenken musst.

0 Aufgaben

Jetzt verknüpfst du mehrere Größen: oft musst du zwei Formeln kombinieren, eine Größe zuerst aus einer anderen bestimmen oder einen Zusammenhang begründen. Das ist der Schwerpunkt jeder Abiturklausur — der Anforderungsbereich II. Konstanten: \(e=1{,}6\cdot10^{-19}\,\mathrm{C}\), \(m_e=9{,}11\cdot10^{-31}\,\mathrm{kg}\), \(\varepsilon_0=8{,}85\cdot10^{-12}\,\mathrm{\tfrac{F}{m}}\), \(g=9{,}81\,\mathrm{\tfrac{m}{s^2}}\).

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Beschleunigung und Bewegung im Feld

Energiesatz und Kraftansatz kombinieren
1Geschwindigkeit nach BeschleunigungAFB II

Ein Elektron wird aus der Ruhe durch die Spannung \(U=500\,\mathrm{V}\) beschleunigt.

Berechnen Sie die Endgeschwindigkeit \(v\) in \(10^{6}\,\mathrm{\tfrac{m}{s}}\).

·10⁶ \(\mathrm{\frac{m}{s}}\)
Die gesamte vom Feld übertragene Energie wird zu kinetischer Energie: \(e\cdot U=\tfrac12 m_e v^2\).
Nach \(v\) umstellen: \(v=\sqrt{\dfrac{2eU}{m_e}}=\sqrt{\dfrac{2\cdot1{,}6\cdot10^{-19}\cdot500}{9{,}11\cdot10^{-31}}}\approx1{,}33\cdot10^{7}\,\mathrm{\tfrac{m}{s}}=13{,}3\cdot10^{6}\,\mathrm{\tfrac{m}{s}}\).
2Beschleunigung im PlattenkondensatorAFB II

Im Plattenkondensator: \(U=300\,\mathrm{V}\), \(d=4{,}0\,\mathrm{cm}\). Ein Elektron startet im Feld.

Berechnen Sie die Beschleunigung \(a\) in \(10^{15}\,\mathrm{\tfrac{m}{s^2}}\).

·10¹⁵ \(\mathrm{\frac{m}{s^{2}}}\)
Drei Schritte: erst \(E=\dfrac{U}{d}\), dann \(F=e\cdot E\), dann \(a=\dfrac{F}{m_e}\).
\(E=\dfrac{300}{0{,}04}=7500\,\mathrm{\tfrac{V}{m}}\); \(F=eE=1{,}2\cdot10^{-15}\,\mathrm{N}\); \(a=\dfrac{F}{m_e}=\dfrac{1{,}2\cdot10^{-15}}{9{,}11\cdot10^{-31}}\approx1{,}3\cdot10^{15}\,\mathrm{\tfrac{m}{s^2}}\).
3Warum d nicht zähltAFB II

Begründen Sie, dass die Endgeschwindigkeit beim Durchlaufen der Spannung \(U\) nicht vom Plattenabstand \(d\) abhängt.

Musterlösung anzeigen

Die vom Feld übertragene Energie ist \(W=e\cdot U\) — sie hängt nur von der durchlaufenen Spannung ab, nicht von \(d\). Aus \(e U=\tfrac12 m_e v^2\) folgt \(v=\sqrt{\tfrac{2eU}{m_e}}\); \(d\) kommt nicht vor. Ein kleineres \(d\) erhöht zwar \(E\) und damit die Kraft, aber die Wirkstrecke wird im gleichen Maß kürzer — die Energie bleibt gleich.

2

Schwebende Ladung — Kräftegleichgewicht

Kräftegleichgewicht auswerten
3

Plattenkondensator und Dielektrikum

Kapazität aus dem Aufbau
4

Entladung eines Kondensators

Exponentielles Verhalten und Herleitung