LK 12.1 - Elektrisches und magnetisches Feld

  1. Elektrisches Feld
    1. homogenes und inhomogenes Feld, Influenz
      1. Feldlinienbilder, speziell radialsymmetrisches Feld einer Punktladung, homogenes Feld eines Plattenkondensators (Buch Seite 10/11, wichtig Bild 4)
      2. Influenz bei Leitern, Polarisation bei Nichtleitern (Ansehen und Beschreiben der Bilder im Buch Seiten 8, 18 und 30, Aufgabe 2 auf Seite 32)
      3. elektrische Ladung als abgeleitete Größe der Stromstärke I=dQ/dt bzw. Q=∫Idt, Ladung als Erhaltungsgröße (Buch Seiten 8/9, Aufgaben 1 und 3 auf Seite 9)
    2. Quantisierung der Ladung
      1. Millikan-Versuch im Schwebefall (Buch Seiten 28/29, Aufgaben 1 und 3 auf Seite 29)
    3. Coulombkraft
      1. das Coulombsche Gesetz F=1/(4πε0)⋅(Q1⋅Q2)/r2 (Buch Seite 19/20, Aufgaben 2, 3, 4 und 5 auf Seite 20), Superpositionsprinzip (Buch Seite 20, Aufgaben aus der Klausur 12.1 wiederholen)
    4. Feldstärke
      1. Definition: E=F/q ("Feldstärke ist Kraft pro Ladung") im homogenen Feld (dort gilt auch E=U/d) und im radialsymmetrischen Feld (Buch Seite 12, Aufgaben 3, 5 und 6 auf Seite 12)
    5. Potenzial, Spannung, Stromstärke
      1. Entwicklung des Potenzialbegriffs V01=W01/q ("Die Spannung zwischen zwei Punkten (Punkt 0 und Punkt 1) ist die Energie, die man pro Ladungseinheit aufwenden muss (die das Feld aufwendet), um eine Ladung vom Punkt 0 zu Punkt 1 zu bringen.") (Buch Seite 20 Abschnitt 5 und Seite 21 Abschnitt 6)
      2. potenzielle Energie im elektrischen Feld, Äquipotenziallinien, U=ΔV (Buch Seite 16/17, schön ist Aufgabe 2 auf Seite 29, nicht ganz passend ist Aufgabe 32 (Äquipotenzialfläche) auf Seite 32)
      3. U=Es bzw. E=U/d im homogenen Feld des Plattenkondensators (in den Aufzeichnungen)
      4. Gesetze des Gleichstromkreises (Definition des Widerstandes: R=U/I, 1. und 2. Kirchhoffsches Gesetz) (Aufgabe dazu vom "griechischen" Blatt wiederholen)
    6. Kapazität, Feldenergie
      1. C=Q/U=const. ("Kapazität ist aufgenommene Ladungsmenge pro Ladespannung"), Herleitung von C=ε0 ⋅ εr ⋅ A/d für den Plattenkondensator (Buch Seite 22 zusammen mit Seite 18. Wir hatten das experimentell gemacht, zusammen mit dem nächsten Punkt.) Aufgaben dazu: Buch Seite 25, Aufgaben 1, 5 und 8 auf Seite 25)
      2. die Naturkonstante ε0 als Proportionalitätskonstante von Q/A (Das ist die Flächenladungsdichte σ.) und E (gemeint ist ε0=(Q/A)/E=σ/E) oder von Cp (Kapazität des Plattenkondensators) und (A/d) also ε0=C/(A/d).
      3. Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren (Buch Seite 25, Aufgabe 2 auf Seite 25)
      4. Materie im elektrischen Feld, Dielektrikum, Dielektrizitätszahl εr=Cr/C0 (Verhältnis der Kapazitäten mit und ohne Dielektrikum, Buch Seite 30, Aufgabe 3 auf Seite 32)
      5. Kondensator als Energiespeicher, W=1/2CU2 (Herleitung im Buch auf Seite 26)
      6. Betrachtung des Auf- und Entladevorgangs beim Kondensator, Entladung auch mit Differenzialgleichungen, Lösung mit Hilfes eines Lösungsansatzes (teilweise im Buch auf Seite 24/25, Rest im Unterricht, Aufgabe 7 auf Seite 25)
  2. Magnetisches Feld
    1. Feldstärke
      1. Feldlinienbilder magnetischer Felder von stromdurchflossenen geraden Leitern und Spulen (Buch Seite 36/37), Definition der magnetischen Flussdichte als B=F/(L⋅I=const) "Flussdichte ist Kraft auf einen Probestrom" (Aufgabe 3 und 4 auf Seite 37)
      2. Bewegung von Ladungen als Ursache von Magnetfeldern (Buch S.35)
      3. Richtungszusammenhang von Strom- Feld- und Kraftrichtung (alle Fälle, Buch S.36 Aufgabe 4 auf Seite 45 wiederholen)
      4. Materie im magnetischen Feld, Permeabilitätszahl μr=Br/B0 (Buch Seite 40)
      5. Magnetfeld im Inneren einer langen Spule, B=μ0 ⋅μr⋅N⋅L/I (Buch S.39 Abschnitt 3)
    2. Lorentzkraft
      1. quantitative Betrachtung der Betrachtung der Bewegung geladener Teilchen in allen Richtungen zum magnetischen Feld (Wesentlicher Trick ist die Komponentenzerlegung. Buch Seite 45 Abschnitt 4, Vertiefung auf Seite 46, Aufgabe 1 auf Seite 47 wiederholen, andere Anwendungen gibt es weiter unten)
    3. Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern
      1. Aufbau, Wirkungsweise, Anwendung der Braunschen Röhre (Buch Seite 48/49 oder Mitschrift)
      2. Einheit Elektronenvolt "1eV ist die Energie, die ein Elektron bei der Beschleunigung mit 1V aufnimmt."
      3. nichtrelativistische (v<0,1c) quantitative Betrachtung der Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Feldern (Übersetzung auf Seite 48: "Bahnen sind Parabeln.")
      4. c als Grenzgeschwindigkeit, relativistische Massenzunahme als Phänomen (d.h. ohne Formel! Wir hatten das am Beispiel des Zyklotrons besprochen: Die spezifische Ladung der Elektronen wird bei zunehmender Geschwindigkeit kleiner, weil die Masse im e/me zunimmt.)
      5. Hall-Effekt: UH=b⋅vD⋅B (Streifenbreite b, Driftgeschwindigkeit vD, Flussdichte B) und in der atomistischen Darstellung UH=1/(n⋅e)⋅(I⋅B)/d (Ladungsträgerkonzentration n, Streifendicke d) (Buch Seite 38/39, Aufgabe 6 auf Seite 43 wiederholen)
      6. Überlagerung homogener elektrischer und magnetischer Felder in einfachen Fällen (Geschwindigkeitsfilter) (Fadenstrahlrohr im Buch auf Seite 44, Wienfilter, Massenspektroskop, Zyklotron in euren Aufzeichnungen)
    4. Induktion
      1. Induktionsspannung aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses (Zur Erinnerung: Der Fluss Φ ist das Skalarprodukt aus Flussdichten- und Flächenvektor: Φ=B⋅A. Eine Flussänderung kann sich also durch die Änderung der Fläche ergeben (Buch Seite 56 bis 59, Aufgaben 3, 4 und 5 auf Seite 59) oder durch eine Flussdichtenänderung (Buch Seite 60/61, Aufgabe 2 auf Seite 63 wiederholen) oder durch eine Änderung der Lage von Feld und Fläche, wie im Generator (Buch Seite 72/73).
      2. Induktionsgesetz in der Formulierung Ui=-n⋅dΦ/dt, quantitative Betrachtung von dA/dt≠0 und dB/dt=0 (Generator) und dA/dt=0 und db/dt≠0 (Transformator) (Hier bitte die Herleitung zum unbelasteteten Transformator ansehen.)
      3. Lenzsche Regel und Energieerhaltung (Buch Seite 62/63)
      4. elektrische Wirbelfelder und Ringströme (Wirbelfelder im Buch auf Seite 64, Ringversuch nach Maxwell in euren Unterlagen)
      5. Selbstinduktion und Induktivität L einer langen Spule (Buch Seite 66 bis 69, Aufzeichnungen aus 12.2)
      6. Betrachtung des Ein- bzw. Ausschaltvorganges in einem Stromkreis mit Spule, Ausschaltvorgang auch mit Differenzialgleichung, Lösung mithilfe eines Lösungsansatzes (im Unterricht).
      7. Energie des Magnetfeldes der Spule(W=1/2LI2) (Herleitung im Buch Seite 70/71, Aufgaben 1 und 2 auf Seite 71)