Ladungen & Felder - Oberstufe

Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Oberstufe

  • Wie lautet das Gesetz von COULOMB?
  • Wie ist das Feld im Innern eines Plattenkondensators?
  • Wie viel Energie kann ein Kondensator speichern?

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Die Animation zeigt ein Gedankenexperiment, wobei sich aus dem elektrischen Fled einer punktförmigen Ladung und der resultierenden Flächenladungsdichte das Coulombsche Kraftgesetzt ergibt.
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Das elektrische Feld einer komplizierteren Ladungsanordnung kann z.B. durch Überlagerung der Felder von Einzelladungen gewonnen werden. Hierzu muss man in jedem Raumpunkt die Feldstärkevektoren der Einzelfelder vektoriell addieren. Die Annimation zeigt exemplarisch das Feld zwischen zwei Kugelladungen und deren Entstehung durch vektorielle Überlagerung der Einzelfelder.
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Ein Kondensator der Kapazität C wird über einen Widerstand der Größe R auf die Spannung U aufgeladen. Die Entladung des Kondensators erfolgt über eine Glimmlampe. Diese leuchtet beim Entladevorgang an der mit der negativen Kondensatorplatte verbundenen Elektrode auf ("negatives Glimmlicht"). Die innere Energie und die Lichtenergie, die in der Glimmlampe umgesetzt wird, muss aus dem Energieinhalt des Kondensators stammen.
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In einem Gedankenexperiment soll nun geklärt werden, von welchen Größen die Energie, die in einem Kondensator bzw. dessen elektrischen Feld gespeichert ist, abhängt. Hierbei verdeutlicht die Annimation den Energieauf- bzw. abnahme über den Transport infinitesimal kleiner Ladungsmengen.
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Im homogenen Feld sind die Feldlinien zueinander parallel und die Feldliniendichte ist überall im Kondensatorinneren gleich. Dies bedeutet, dass die Kraft auf eine Probeladung im homogenen Feld überall gleich groß ist. Die Animation zeigt dies durch die konstante Auslenkung einer Probelandung im Feld des Kondensators, auch wenn dieser verschoben wird.
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Die Animation zeigt zwei punktförmige positive Ladungen deren Abstand r vergrößert wird. Hierbei wird die abstoßende Kraft mit Richtung und Betrag illustriert.
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Die Animation zeigt zwei positive Ladungen im Abstand r. Die eine Ladung wird hierbei vergrößert. Illustriert werden hierbei die resultierende Kräfte in Betrag und Richtung.
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Die Animation zeigt zwei punktförmige Ladungen, eine negative und postive, deren Abstand r vergrößert wird. Hierbei wird die abstoßende Kraft mit Richtung und Betrag illustriert.
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Die Animation zeigt zwei Ladungen, eine postive und eine negative, im Abstand r. Die eine Ladung wird hierbei vergrößert. Illustriert werden hierbei die resultierende Kräfte in Betrag und Richtung.
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Die Animation veranschaulicht die konstante Verteilung von Ladung pro Fläche auf einem Kondesator. Hierbei wird die Ladung einer Probefläche A' von einem Kondesator abgenommen und bestimmt.
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In dieser Animation wird die Energie berechnet, die benötigt wird, um die Probeladung q eine Wegstecke im homogenen elektrischen Feld zu bewegen.
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Die Animation zeigt zunächst das Entladen einer geladenen Kugel mit einer gewissen Ladungsmenge. Hiernach wird eine Hohlkugel, bestehend aus zwei Halbkugelschalen um die geladene Kugel gestülbt. Die auf der äußeren Oberfläche der Hohlkugel durch Influenz entstehende Ladung ist identisch wie die auf der ursprüglichen geladenen Kugel. Die Kugelschale wird so geladen.
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R
L
|U0|
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Die Simulation zeigt den zeitlichen Verlauf von Ladung \({Q_C}(t)\) auf dem Kondensator, Stromstärke \(I(t)\), Spannung \({U_R}(t)\) über dem Widerstand, Spannung \({U_C}(t)\) über dem Kondensator, Leistung \({P_R}(t)\) am Widerstand und Leistung \({P_C}(t)\) am Kondensator in einem RC-Kreis sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten. Dabei können der Betrag \({\left| {{U_0}} \right|}\) der Nennspannung der Quelle, die Größe \(R\) des Widerstands sowie die Kapazität \(C\) des Kondensators in gewissen Grenzen verändert werden.

Die Simulation wird zur Verfügung gestellt von:

PhET Interactive Simulations
University of Colorado Boulder
https://phet.colorado.edu

Informationen zur Verwendungsmöglichkeiten der Simulationen findest du unter:

https://phet.colorado.edu/de/licensing

Didaktische Hinweise
Untersuche, welche Variablen bestimmen, wie geladene Körper interagieren. Sage voraus, wie geladene Körper interagieren. Beschreibe Stärke und Richtung des elektrischen Feldes um einen geladenen Körper. Verwende Diagramme mit Vektoren, um die Wechselwirkungen zu beschreiben.
Kondensatorspannung
UK
Stoppuhr
Die Uhr startet nach dem Aktivieren
beim Ausschalten der Spannung
und muss dann manuell gestoppt werden.
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Die Simulation ermöglicht die Bestimmung der Elementarladung nach der Schwebe-Fall-Methode. Bei der Schwebe-Fall-Methode wird zuerst ein Öltröpfchen durch Anlegen einer Spannung in der Schwebe gehalten (Schweben im Elektrischen Feld) und dann das gleiche Öltröpfchen ohne angelegte Spannung ‚frei’ fallen gelassen (Fallen ohne Elektrisches Feld).

Kondensatorspannung
UK
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Die Simulation ermöglicht die Bestimmung der Elementarladung nach der Schwebemethode. Bei der Schwebemethode wird ein Öltröpfchen durch Anlegen einer Spannung in der Schwebe gehalten (Schweben im Elektrischen Feld). Hinweis: Diese Methode kann nicht im Realexperiment, sondern nur in einer Simulation genutzt werden, da hier der Radius der untersuchten Öltröpfchen bekannt sein muss, was im Realexperiment nicht der Fall ist.

Kondensatorspannung
UK
Stoppuhren
Uhr 1 muss manuell gestartet werden.
Uhr 1 stoppt bzw. Uhr 2 startet
beim Ausschalten der Spannung.
Uhr 2 muss manuell gestoppt werden.
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Die Simulation ermöglicht die Bestimmung der Elementarladung nach der Steige-Fall-Methode. Bei der Steige-Fall-Methode wird zuerst ein Öltröpfchen durch Anlegen einer Spannung nach oben bewegt (Steigen im Elektrischen Feld) und dann das gleiche Öltröpfchen ohne angelegte Spannung ‚frei’ fallen gelassen (Fallen ohne Elektrisches Feld).

Kondensatorspannung
UK
Stoppuhren
Uhr 1 startet nach dem Aktivieren
beim Umpolen der Spannung.
Uhr 1 stoppt/startet bzw. Uhr 2 startet/stoppt
jeweils beim Umpolen der Spannung.
Uhr 2 muss schließlich manuell gestoppt werden.
HTML5-Canvas nicht unterstützt!

Die Simulation ermöglicht die Bestimmung der Elementarladung nach der Steige-Sink-Methode. Bei der Steige-Sink-Methode wird zuerst ein Öltröpfchen durch Anlegen einer Spannung nach oben bewegt (Steigen im Elektrischen Feld) und dann das gleiche Öltröpfchen mit der gleich großen, aber umgekehrt gepolten Spannung nach unten bewegt (Sinken im Elektrischen Feld).

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