Potential und Spannung
Welche GröĂe des Gravitationsfelds entspricht in der Analogie dem elektrischen Potential Ï?
ErklĂ€rung: Wie Ï = W/q die Lageenergie pro Ladung angibt, gibt g·h die Lageenergie pro Masse an â das Potential ist die "elektrische Höhe". Kraft und Masse entsprechen dagegen der Feldkraft bzw. der Probeladung, nicht dem Potential.
Eine Ladung q = 2·10â»â¶ C wird im homogenen Feld E = 5000 V/m um s = 0,1 m gegen die Feldrichtung verschoben. Berechne die verrichtete Arbeit. (Antwort in mJ)
ErklĂ€rung: W = q·E·s = 2·10â»â¶ · 5000 · 0,1 J = 10â»Âł J = 1 mJ. Im homogenen Feld ist die Kraft konstant, die Arbeit also einfach Kraft mal Weg lĂ€ngs der Feldrichtung.
Die Arbeit, um eine Ladung im homogenen Feld von der einen Platte zur anderen zu bringen, hÀngt davon ab, auf welchem Weg die Ladung transportiert wird.
ErklĂ€rung: Wie beim Heben im Gravitationsfeld zĂ€hlt nur der Abstand vom Bezugsniveau, nicht der Weg â WegstĂŒcke quer zur Feldrichtung kosten keine Arbeit. Genau diese WegunabhĂ€ngigkeit macht die Definition eines Potentials ĂŒberhaupt erst möglich.
Wie ist das elektrische Potential Ï eines Punktes definiert?
ErklĂ€rung: Division durch q macht die Energiebeschreibung von der Probeladung unabhĂ€ngig â Ï beschreibt den Feldpunkt. Das Potential ist dabei eine relative GröĂe, denn das Bezugsniveau darf frei gewĂ€hlt werden.
Verschiebt man eine Ladung entlang einer ĂquipotentialflĂ€che, so wird dabei keine Arbeit gegen das Feld verrichtet.
ErklĂ€rung: Auf einer ĂquipotentialflĂ€che ist ÎÏ = 0, also W = q·ÎÏ = 0. Die Bewegung verlĂ€uft senkrecht zu den Feldlinien â wie ein Wanderweg auf konstanter Höhe im Gebirge.
Mit einer Flammensonde tastet man das Feld eines Plattenkondensators ab. Was wird dabei gemessen, und was findet man?
ErklĂ€rung: Die Flamme ionisiert die Luft und bringt die Sonde auf das Potential des Messpunkts, das gegen die Bezugsplatte als Spannung abgelesen wird. Alle Punkte mit gleichem Plattenabstand zeigen denselben Wert â die ĂquipotentialflĂ€chen des homogenen Feldes sind Ebenen parallel zu den Platten.
Die elektrische Spannung U zwischen zwei Punkten ist die ___ ihrer Potentiale.
ErklĂ€rung: U = ÎÏ = Ïâ â Ïâ â deshalb ist die Spannung unabhĂ€ngig davon, wo man das Nullniveau festlegt. Das Potential gehört zu einem Punkt, die Spannung immer zu zwei Punkten.
Verschiebt man das Bezugsniveau des Potentials, so Àndert sich auch die Spannung zwischen zwei festen Punkten des Feldes.
ErklĂ€rung: Beide Potentiale verschieben sich um denselben Betrag, ihre Differenz bleibt gleich â wie Höhenunterschiede nicht davon abhĂ€ngen, ob man ab Meeresspiegel oder ab Erdboden misst. Nur Potentialwerte selbst sind bezugsabhĂ€ngig, Spannungen nicht.
An einem Plattenkondensator mit Plattenabstand d = 5 cm liegt die Spannung U = 300 V. Berechne die FeldstÀrke des homogenen Feldes. (Antwort in V/m)
ErklĂ€rung: E = U/d = 300 V / 0,05 m = 6000 V/m. Der Plattenabstand muss in Meter umgerechnet werden â mit 5 statt 0,05 ergĂ€be sich der falsche Wert 60 V/m.
Im homogenen Feld eines Kondensators herrscht die FeldstÀrke E = 2·10⎠V/m bei einem Plattenabstand von 2 mm. Berechne die anliegende Spannung. (Antwort in V)
ErklĂ€rung: U = E·d = 2·10⎠V/m · 0,002 m = 40 V. Die Gleichung E = U/d verknĂŒpft die messbare Spannung mit der FeldstĂ€rke und liefert die gebrĂ€uchliche Einheit V/m.
Die negative Platte eines Kondensators liegt auf Ï = 0. Im homogenen Feld gilt Ï(x) = E·x mit E = 4000 V/m. Berechne das Potential im Abstand x = 3 cm von der negativen Platte. (Antwort in V)
ErklĂ€rung: Ï = E·x = 4000 · 0,03 V = 120 V. Das Potential wĂ€chst linear mit dem Abstand von der Bezugsplatte â die Steigung der Geraden ist gerade die FeldstĂ€rke.
Ein Elektron durchlĂ€uft die Spannung U = 100 V. Berechne die aufgenommene Energie. (e = 1,6·10â»Âčâč C; Antwort in 10â»Âčâ· J)
ErklĂ€rung: W = q·U = 1,6·10â»Âčâč · 100 J = 1,6·10â»Âčâ· J. Die Formel W = q·ÎÏ macht die Spannung zur Energie pro Ladung â 1 V bedeutet 1 J pro Coulomb.
Wie Àndert sich das Potential lÀngs einer Feldlinie?
ErklĂ€rung: Feldlinien laufen von Plus nach Minus, also vom hohen zum niedrigen Potential â eine positive Probeladung "fĂ€llt" den Potentialberg hinab. Konstant ist das Potential nur senkrecht dazu, auf den ĂquipotentialflĂ€chen.
Zwischen zwei Punkten liegt die Spannung 1 V. Was bedeutet das energetisch?
ErklĂ€rung: Aus U = W/q folgt 1 V = 1 J/C â die Spannung misst Energie pro Ladung. Die analoge GröĂe im Gravitationsfeld hĂ€tte die Einheit J/kg; StromstĂ€rke und FeldstĂ€rke sind andere GröĂen mit anderen Einheiten.