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Grundwissen & Aufgaben

Im Grundwissen kommen wir direkt auf den Punkt. Hier findest du die wichtigsten Ergebnisse und Formeln für deinen Physikunterricht. Und damit der Spaß nicht zu kurz kommt, gibt es die beliebten LEIFI-Quizze und abwechslungsreiche Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen. So kannst du prüfen, ob du alles verstanden hast.

  • COULOMB-Gesetz

    • Alle geladenen Körper üben aufeinander Kräfte aus, die man als elektrische Kräfte bezeichnet.
    • Die Richtung dieser Kräfte verläuft auf der Verbindungsgerade der beiden Ladungsschwerpunkte, der Betrag dieser Kräfte ist (wegen des Wechselwirkungsgesetzes) gleich groß.
    • Die Kräfte sind bei gleichartigen Ladungen voneinander weg und bei verschiedenartigen Ladungen aufeinander zu gerichtet.
    • Der Betrag ist proportional zu beiden Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der beiden Ladungsschwerpunkte.
  • Elektrische Kraft

    • Die elektrische Kraft \(\vec F_{\rm{C}}\) zwischen zwei Punktladung \(Q\) und \(q\) im Abstand \(r\) (COULOMB-Kraft) liegt auf der Verbindungsgeraden der beiden Ladungen. Der Betrag \(F_{\rm{C}}\) der COULOMB-Kraft berechnet sich durch \(F_{\rm{C}} = \frac{1}{4 \cdot \pi  \cdot \varepsilon _0} \cdot \frac{\left|Q\right| \cdot \left|q\right|}{{{r^2}}}\).
    • Die elektrische Kraft \(\vec F_{\rm{el}}\) auf eine Punktladung \(q\) im Zwischenraum zweier entgegengesetzt geladener Platten (Flächeninhalt \(A\), Ladung \(Q\)) ist senkrecht zu den Plattenoberflächen gerichtet. Der Betrag \(F_{\rm{el}}\) der elektrischen Kraft berechnet sich durch \(F_{\rm{el}} = \frac{1}{\varepsilon _0} \cdot \frac{\left| Q \right| \cdot \left|q \right|}{A}\).
    • Dabei ist jeweils \(\varepsilon_0 = 8{,}854 \cdot {10^{-12}}\,\frac{\rm{A}\,\rm{s}}{\rm{V}\,\rm{m}}\) die elektrische Feldkonstante. 
  • Elektrisches Feld und Feldliniendarstellung

    • Im Raum um eine Ladung herrscht ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld überträgt die Kraftwirkung dieser Ladung auf andere Ladungen.
    • Die elektrische Feldstärke ist definiert als der Quotient aus der elektrischen Kraft \({\vec F_{\rm{el}}}\) auf eine Probeladung und der Probeladung \(q\): \(\vec E = \frac{{{{\vec F}_{\rm{el}}}}}{q}\).
    • Für die elektrische Feldstärke \(\vec E\) im Raum um eine punktförmige Ladung \(Q\) gilt: Der Feldstärkevektor ist für eine positive Ladung radial von der Ladung weg und für eine negative Ladung radial zur Ladung hin orientiert, der Betrag ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands \(r\) und hat den Wert \(E = \frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \varepsilon_0} \cdot \frac{\left|Q\right|}{r^2}\).
    • Die elektrische Feldstärke \(\vec E\) im Zwischenraum zweier entgegengesetzt geladener Platten (Flächeninhalt \(A\), Ladung \(Q\)) ist konstant (homogenes elektrisches Feld). Der Feldstärkevektor steht senkrecht zu den Plattenoberflächen, ist von der positiv zur negativ geladenen Platte orientiert und hat den Betrag \(E = \frac{1}{\varepsilon_0} \cdot \frac{\left|Q\right|}{A}\).
  • Überlagerung elektrischer Felder

    • Das E-Feld einer Ladungsanordnung ergibt sich aus der Überlagerung der Felder der Einzelladungen.
    • In jedem Raumpunkt werden die Feldstärkevektoren der Einzelfelder vektoriell addiert.
  • Potentielle Energie im homogenen Feld

    • Bewegt sich eine Ladung im homogenen E-Feld in Richtung oder entgegen der Richtung der Feldlinien, so ändert sich die potentielle Energie der Ladung.
    • Allgemein ist die Änderung der potentiellen Energie gleich der negativen Feldarbeit, also \(\Delta {E_{\rm{pot}}} = - {W_{\rm{Feld}}}\).
    • Die Nulllage der potentiellen Energie wird meist auf die negative Platte gelegt.
  • Potenzial

    • Jedem Punkt \(\rm{P}\) eines elektrischen Feldes kann ein Potenzial \(\varphi_{\rm{P}_0} \left( \rm{P} \right)=\frac{{{E_{{\rm{pot}}{\rm{,}}{{\rm{P}}_0}}}\left( {\rm{P}} \right)}}{q}\) zugeordnet werden. Dieses Potenzial ist von der Größe und der Anordnung der felderzeugenden Ladung \(Q\) und der Wahl eines Bezugspunktes \(\rm{P}_0\) abhängig.
    • Im COULOMB-Feld wählt man den Bezugspunkt des Potenzials unendlich weit von der felderzeugenden Ladung entfernt. Dann hat das Potenzial im Abstand \(r\) von der felderzeugenden Ladung den Wert \( {\varphi \left( r \right)} = \frac{1}{{4 \cdot \pi \cdot {\varepsilon _0}}} \cdot Q \cdot \frac{1}{r}\).
    • Im homogenen elektrischen Feld (z.B. im Zwischenraum zweier entgegengesetzt geladener Platten) wählt man als Bezugspunkt des Potenzials die Oberfläche der negativ geladenen Platte. Dann hat das Potenzial im Abstand \(x\) von der negativ geladenen Platte den Wert \(\varphi \left( x \right) = E \cdot x\) bzw. \(\varphi \left( x \right) = \frac{1}{{{\varepsilon_0}}} \cdot \frac{{\left| Q \right|}}{A} \cdot x\).
  • Potential und elektrische Spannung

    • Die Potentialdifferenz \(\Delta {\varphi _{\rm{AB}}}\) ist der negative Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie \(\Delta {E_{{\rm{pot}}{\rm{,AB}}}}\) und der Probeladung \(q\).
    • Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten A und B ist die Spannung \(U_{\rm{AB}}\).
    • Alle Punkte mit gleichem Potential befinden sich auf einer Äquipotentiallinie.
  • Homogenes elektrisches Feld

    • Hat die elektrische Feldstärke \(\vec E\) in einem Raumgebiet immer die gleiche Richtung, die gleiche Orientierung und den gleichen Betrag, so sprechen wir von einem homogenen elektrischen Feld in diesem Raumgebiet.
    • Wichtigstes Beispiel für ein homogenes elektrisches Feld ist das Feld im Zwischenraum zweier entgegengesetzt geladener Platten.
  • Elementarladung

    • Die elektrische Ladung ist eine gequantelte Größe
    • Die Elementarladung beträgt \(e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\rm{As}\)
    • Die Ladung eines Elektrons beträgt \(-e\)

Versuche

Das Salz in der Suppe der Physik sind die Versuche. Ob grundlegende Demonstrationsexperimente, die du aus dem Unterricht kennst, pfiffige Heimexperimente zum eigenständigen Forschen oder Simulationen von komplexen Experimenten, die in der Schule nicht durchführbar sind - wir bieten dir eine abwechslungsreiche Auswahl zum selbstständigen Auswerten und Weiterdenken an. Mit interaktiven Versuchen kannst du die erste Schritte Richtung Nobelpreis zurücklegen.

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Ausblick

Du bist gut in Mathe und schon ein halber Ingenieur? Hier gibt’s für Fortgeschrittene vertiefende Inhalte und spannende Anwendungen aus Alltag und Technik.

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Geschichte

Die moderne Physik beruht auf den Erkenntnissen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in ihrer jeweiligen Zeit. Aber lies selbst!

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