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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 18:22 So 09.11.2014 | | Autor: | rubi |
Hallo zusammen,
ich habe eine Frage zur letzten Aufgabe in dem Quiz unter http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/ladungen-felder-oberstufe/aufgaben#lightbox=/themenbereiche/ladungen-felder-oberstufe/lb/quiz-elektrisches-feld-0
Ich meine die Aufgabe mit folgender Überschrift: Die positive Ladung auf dem Probelöffel an der Feinwaage soll durch Berühren mit einem neutralen gleichartigen Löffel halbiert werden.
Ich habe vermutlich das Prinzip der Ladungsübertragung noch nicht richtig verstanden.
Wenn der neutrale Löffel in Position 2 mit dem Probelöffel in Berührung kommt, dann soll sich die positive Ladung des Probelöffels halbieren.
Ist es grundsätzlich so, dass bei Berührung eines neutralen Körpers (also mit gleich vielen positiven und negativen Ladungen)
mit einem positiv geladenen Körper der positive Ladungsüberschuss auf beide Körper gleich verteilt wird ? (der neutrale Körper hat ja [mm] Q_1 [/mm] = 0 C und der positiv geladene Körper z.B. [mm] Q_2 [/mm] = 10 C.
Haben dann beide Körper nach Berührung eine Ladung von 5 C und zwar unabhängig davon, wie viele Elektronen / Protonen auf den Löffeln zu Beginn sitzen ? Spielt nur die Größe des Ladungsüberschusses eine Rolle ?).
Wird Q eigentlich immer als positive Zahl angegeben, egal ob ein Elektronenüberschuss oder Protonenüberschuss vorliegt ?
Bei Position 1 bleibt mehr als die Hälfte der positiven Ladung auf dem Probelöffel.
Ist die Begründung folgende: Wenn der neutrale Löffel weiter oben ist, siedeln sich oben auf dem neutralen Löffel aufgrund des elektrischen Feldes die Elektronen an und unten die Protonen. Wenn nun die "Protonenseite" des neutralen Löffels den Probelöffel berührt, ist der neutrale Löffel für den Probelöffel positiv geladen und kann daher weniger Protonen an den Probelöffel abgeben ?
Vielen Dank für Eure Antworten.
Ich finde es immer wieder klasse, wie schnell, kompetent und uneigennützig ihr den Fragestellern helft.
Viele Grüße
Rubi
Ich habe die Frage in keinem anderen Forum gestellt.
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 08:37 Mo 10.11.2014 | | Autor: | chrisno |
> Hallo zusammen,
> ....
> Wenn der neutrale Löffel in Position 2 mit dem
> Probelöffel in Berührung kommt, dann soll sich die
> positive Ladung des Probelöffels halbieren.
Das ist das Ziel, damit das Experiment richtig durchgeführt wird.
> Ist es grundsätzlich so, dass bei Berührung eines
> neutralen Körpers (also mit gleich vielen positiven und
> negativen Ladungen)
> mit einem positiv geladenen Körper der positive
> Ladungsüberschuss auf beide Körper gleich verteilt wird ?
Nein, das ist nur in ganz besonderen Situationen der Fall.
> (der neutrale Körper hat ja [mm]Q_1[/mm] = 0 C und der positiv
> geladene Körper z.B. [mm]Q_2[/mm] = 10 C.
> Haben dann beide Körper nach Berührung eine Ladung von 5
> C und zwar unabhängig davon, wie viele Elektronen /
> Protonen auf den Löffeln zu Beginn sitzen ? Spielt nur die
> Größe des Ladungsüberschusses eine Rolle ?).
s.o.
> Wird Q eigentlich immer als positive Zahl angegeben, egal
> ob ein Elektronenüberschuss oder Protonenüberschuss
> vorliegt ?
Nein, Q ist negativ für negative Ladungen.
>
> Bei Position 1 bleibt mehr als die Hälfte der positiven
> Ladung auf dem Probelöffel.
> Ist die Begründung folgende: Wenn der neutrale Löffel
> weiter oben ist, siedeln sich oben auf dem neutralen
> Löffel aufgrund des elektrischen Feldes die Elektronen an
> und unten die Protonen.
Das geht nicht. Die Protonen bleiben an ihrem Ort. Da es ein Löffel aus Metall ist, befinden sich die Protonen zusammen mit den Neutronen in den Atomkernen. Die bleiben brav an ihrem Ort, solange die Feldstärke nicht so groß wird, dass es den Löffel zerreißt. Dadurch, dass einige Elektronen weg wandern, lassen sie Gebiete zurück, an denen die positive Ladung überwiegt.
Im elektrischen Feld werden die Ladungen auf dem neutralen Löffel umsortiert (Influenz). Dies geschieht durch die Verlagerung der Elektronen.
Und nun muss ich erst einmal nachdenken, denn so schnell kann ich die dort gegeben Antwort nicht nachvollziehen.
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Hallo!
Dann will ich mal...
Das grundlegende Prinzip ist, daß die Ladungen sich so verteilen, daß keine Kraft mehr besteht, die die Elektronen sich in irgendeine Richtung bewegen lässt. Denn dann würden die Elektronen sich ja bewegen, und das wäre ein Strom.
Eine geladene Kugel hat an der Oberfäche das Feld [mm] E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{R^2}
[/mm]
Das heißt, auf jedes Elektron an der Oberfläche wirkt die Kraft $F=E*e_$ nach außen. Dennoch können die Elektronen sich nicht in diese Richtung bewegen, die Luft ist ja kein Leiter. Berührst du nun die Kugel mit einer zweiten, ungeladenen Kugel, können die Elektronen der Kraft sehr wohl folgen, und auf die zweite Kugel gelangen. Und das passiert so lange, bis das elektrische Feld der zweiten Kugel genauso groß ist, wie das der ersten. Am Berührpunkt sind die Felder ja entgegengesetzt, und wenn sie vom Betrag gleich groß sind, heben sie sich auf. Es wirkt dann also keine Kraft mehr auf die Elektronen an dieser stelle:
[mm] \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q_1}{R_1^2}-\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q_2}{R_2^2}=0
[/mm]
Was interessantes: Sind die Kugeln gleich groß, haben beide hinterher die gleiche Ladung. Ist eine um dem Faktor a größer, ist ihre Ladung hinterher um den Faktor [mm] a^2 [/mm] größer.
Jetzt hab ich schon viel getextet, aber nun die endgültige Antwort: Das externe Feld des Kondensators herrscht ja auch an dem Berührpunkt. Die Ladungen verteilen sich so, daß sich alle Felder gegenseitig aufheben, also so:
[mm] \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q_1}{R_1^2}-\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q_2}{R_2^2}+\red{E_{ext}}=0
[/mm]
Ohne jetzt viel zu rechnen: wenn die Ladung auf den gleich großen Kugeln positiv ist, und das externe Feld auch, dann muß [mm] Q_2 [/mm] größer als [mm] Q_1 [/mm] sein, damit die Gleichung erfüllt werden kann. Da die Richtungsinformation nicht gut 'rüber kommt: Grundsätzlich müssen auf der der positiven Platte zugewandten Kugel mehr negative Elektronen sein, als auf der anderen.
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 09:55 Mo 10.11.2014 | | Autor: | chrisno |
Danke, über diesen Teil der Argumentation habe ich offenbar noch nie nachgedacht.<
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Hmmm?
Naja, normalerweise argumentiert man über das Potenzial, welches auf einem leitenden Körper konstant ist. Aber das E-Feld ist ja die Änderung des Potenzials, daher impliziert das, daß das E-Feld 0 ist. Naja, und dann ist das E-Feld fast gleichbedeutend mit der Kraft, und die ist roch recht anschaulich.
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 10:49 Do 13.11.2014 | | Autor: | rubi |
Hallo zusammen,
ich habe noch folgende Nachfrage:
Wenn ein neutraler Körper eine Kondensatorplatte berührt, gilt dann folgendes ?
- Wenn der Kondensator an einer Spannungsquelle angeschlossen ist, wird die Flächenladungsdichte der Platte auf den neutralen Körper übertragen (d.h. Platte und neutraler Körper haben nach der Berührung die gleiche Flächenladungsdichte wie vorher die Platte)
- Wenn der Kondensator an keiner Spannungsquelle angeschlossen wird, wird dann die Flächenladungsdichte auf der Platte nach Berührung geringer (da ja durch die fehlende Spannungsquelle keine Ladungen hinzukommen ?).
Gibt es hierfür eine Formel ?
Viele Grüße
Rubi
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 10:50 Do 13.11.2014 | | Autor: | rubi |
Ich habe natürlich eine Frage stellen wollen und keine Mitteilung.
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Hallo!
Das ist ein wenig schwierig.
Bedenke, daß daß
> Wenn ein neutraler Körper eine Kondensatorplatte berührt,
> gilt dann folgendes ?
>
> - Wenn der Kondensator an einer Spannungsquelle
> angeschlossen ist, wird die Flächenladungsdichte der
> Platte auf den neutralen Körper übertragen (d.h. Platte
> und neutraler Körper haben nach der Berührung die gleiche
> Flächenladungsdichte wie vorher die Platte)
Nein. Wenn du einen leitenden Körper in ein E-Feld bringst, werden sich dessen Ladungen wegen der Influenz entlang des E-Feldes separieren. Das eine Ende ist dann positiv, das andere Negativ geladen. Dadurch bekommst du bereits unterschiedliche (Flächen-)Ladungsdichten. Das passiert mit der Kugel, wenn sie im Inneren des Kondensators ist. Wenn du nun eine Platte berührst, fließt zwar Ladung auf die Kugel, aber die Sache mit der Influenz bleibt. Daher wirst du danach die höchte Flächenladungsdichte an der der anderen Platte zugewandten Seite haben.
Zugegeben, wenn der Körper winzig gegenüber den Dimensionen des Kondensators ist, kann man wohl sagen, daß die Auswirkungen marginal ist, und dann kann man vielleicht "ja" antworten.
Man kann nun fragen, was bei Berührung der Außenseite einer Platte passiert. Beim idealen Kondensator gibt es dort kein Feld, daher werden keine Ladungen fließen. Beim realen Kondensator wird es auch dort ein (geringes) Feld geben, das aber auch zu Influenz führt.
>
> - Wenn der Kondensator an keiner Spannungsquelle
> angeschlossen wird, wird dann die Flächenladungsdichte auf
> der Platte nach Berührung geringer (da ja durch die
> fehlende Spannungsquelle keine Ladungen hinzukommen ?).
> Gibt es hierfür eine Formel ?
Das stimmt, sofern Ladung auf die Kugel übertragen wird (s.o.). Aber eine Formel gibt es nicht, da es doch sehr auf die Geometrie ankommt.
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(Frage) beantwortet | | Datum: | 12:20 Do 13.11.2014 | | Autor: | rubi |
Hallo Event_Horizon,
danke für deine Antworten.
Ich habe hier eine Aufgabe bei der ein Metallplättchen mit A = 3,5 cm² und m = 0,27 g in einen Plattenkondensator gebracht wird mit kreisförmigen Platten mit Durchmesser 28 cm und U = 12 kV.
Bei der Berechnung der Ladung des Plättchens wird in der Musterlösung ausgeführt:
"Wenn das Metallplättchen mit der Kondensatorplatte (die ihrerseits mit der Spannungsquelle verbunden ist) flächig in Berührung gebracht wird, so wird es mit derselben Flächenladungsdichte geladen wie die Kondensatorplatte..."
Ist dies dann sozusagen eine vereinfachende Annahme, die man bei der Schulphysik in diesem Fall so unterstellt ?
Viele Grüße
Rubi
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Hallo!
Das Zauberwort hier heißt "flächig". Das heißt, das Plättchen liegt vollständig auf der Platte auf, hat also kaum eine Ausdehnung in Richtung des E-Feldes. Dann kann man das in der Tat so sagen.
Würde das Plättchen die Platte im rechten Winkel berühren, dann würde die Influenz sich bemerkbar machen, und die Aussage wäre so nicht mehr gültig.
Ich hab hier übrigens ne Suimulation. Es sind zwei Plattenkondensatoren, bei dem unteren befindet sich ein leitender Körper im Kontakt mit der linken Platte. Die Spannung auf den Platten (und dem Körper) wird gleich gehalten. Die Farbe gibt die Stärke des E-Feldes wieder, die Pfeile die Richtung.
Zwischen dem Körper und der rechten Platte bildet sich ein doppelt so starkes Feld aus. Ist auch klar, die Spannung ist gleich geblieben, der Abstand hat sich aber halbiert.
Im Prinzip hast du an der Stelle also einen Kondensator mit halbem Plattenabstand, daher ist die Feldstärke doppelt so hoch. Und damit ist auch die Ladungsdichte dort doppelt so hoch.
Nebenbei, an den Ecken ist das Felsd generell recht groß. Das ist der Spitzeneffekt.
[Dateianhang nicht öffentlich]
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Anhang Nr. 1 (Typ: png) [nicht öffentlich]
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