Universität Hamburg Wintersemester 2017/18

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Physik I und II für Studenten der Zahnmedizin und Biologie - 2. Teil

Universität Hamburg Wintersemester 2017/18

Georg Steinbrück,

georg.steinbrueck@desy.de

Folien/Material zur Vorlesung auf:

www.desy.de/~steinbru/PhysikZahnmed

Mein Arbeitsgebiet:

Experimentelle Elementarteilchenphysik an großen Beschleiunigern.

Beteiligung am CMS Experiment am CERN/

Genf

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• Harten: Physik für Mediziner, Springer Verlag

• Sehr gutes, ausführliches Buch

• Trautwein, Kreibig, Oberhausen, Hüttermann: Physik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten, de Gruyter

• Zu Einzelfragen: Google, Wikipedia

Informationen zur Physik für Mediziner an der Universität Hamburg (kennen Sie sicher):

http://wwwiexp.desy.de/users/uwe.holm/Medizin.html

Hier unter anderem auch: Skript von Hossein Salehi (Teil 1) und Uwe Holm

Meine Folien (nach der jeweiligen Vorlesung!):

Literaturempfehlungen

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Vorlesung 1: Elektrostatik

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Elektrostatik: Unbewegte Ladungen, Kräfte, elektrische Felder Ladung: Ursache der elektrischen Kraft

Versuch: „Erzeugung“ von Elektrischer Ladung durch Reibung (Genauer: Trennung positiver und negativer Ladungen!)

1. Fell und Hartgummistab 2. Seidentuch und Glasstab

Elektronen fließen vom Fell auf den Kunststoffstab.

Kunststoffstab ist negativ geladen.

Elektronen fließen vom Glasstab auf das Seidentuch.

Glasstab ist positiv geladen.

+ +

-

Elektrizität und Magnetismus -Elektrostatik

Stab Kugel +

Abstoßung Anziehung

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Gegeben sind drei Objekte:

Welche der folgenden Aussagen sind wahr?

a) A und C haben Ladungen gleichen Vorzeichens.

b) A und C haben Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens.

c) Alle drei Objekte haben Ladungen gleichen Vorzeichens.

d) Eines der Objekte ist neutral.

e) Man muss mehr Experimente machen, um das Vorzeichen der Ladung jeder Kugel zu bestimmen.

Kleiner Quizz:

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Gegeben sind drei Objekte:

Welche der folgenden Aussagen sind wahr?

a) A und C haben Ladungen gleichen Vorzeichens.

b) A und C haben Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens.

Kleiner Quizz:

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Prinzip: Mechanische Trennung von Positiven und negativen Ladungen. Dadurch Aufladen einer Elektrode.

Links zu historischen Bildern von riesigen van de Graaff Generatoren:

http://libraries.mit.edu/archives/exhibits/van-de-graaff/

Versuch: Van de Graaff Generator

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Versuch: Van de Graaff Generator

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Moderner van de Graaff Generator am Hahn-Meitner Institut in Berlin, erzeugt 5 MV!

Spannungen über 2MV nur möglich mit Isoliergas: z.B. SF

₆

mit 1MPa.

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1. Funktionsweise

2. Transport von Ladungen mit Becherelektroskop

Versuch: Messung der elektrischen Ladung mit Elektrometer

Ausschlag umso größer, je mehr

Ladungen auf Elektrometer.

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Elektrische Leiter: Ladungen sind frei beweglich

Zum Beispiel: Elektronen in Metallen, Ionen in Flüssigkeiten.

Wie sind die Ladungen in einem Metall verteilt?

Nichtleiter/ Isolator: (Beispiel: Kunststoffe, Gummi, Glas)

Ladungen können sich nicht (oder nur sehr schlecht) bewegen.

Leiter und Nichtleiter

Abstoßung: Ladungen immer

außen.

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Influenz

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Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb: 1 C

Die kleinste Einheit der elektrischen Ladung ist die sogenannte Elementarladung e: e=1,6x10

^-19

C Alle Ladungen, die man in Experimenten beobachtet hat, sind Vielfache dieser Ladung!

Ladung des Protons: q

_p

= +1e Ladung des Neutrons: q

_n

= 0e Ladung des Elektrons: q

_e

= -1e

Achtung: Alle Quarks haben Ladungen q=-1/3 bzw. q=+2/3.

Sie kommen aber nie einzeln vor sondern nur in Kombinationen, die ganzzahlige Vielfache von e ergeben!

Die Einheit der elektrischen Ladung

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Sehr feine Öltröpfchen (<1µm) werden mithilfe eines Zerstäubers erzeugt. Sichtbar nur anhand von Beugungsbildern unter einem Mikroskop.

Die Öltröpfchen sinken mit konstanter Geschwindigkeit nach unten: Gravitationskraft

ausgeglichen durch Stokes-Reibung (Reibungskraft ~Geschwindigkeit). Außerdem: Auftriebskraft!

Im elektrischen Feld eines Kondensators kann man beobachten, dass einige Öltröpfchen schneller sinken als vorher, andere langsamer, andere kommen zum Stillstand (schweben). Des weiteren:

Spontane, sprunghafte Änderung der Geschwindigkeit kann bei einigen Töpfchen beobachtet werden.

Einheit der elektrischen Ladung:

Das Milikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923)

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Bestimmung der Ladung z.B. für den Schwebe-Fall. Dann:

F

_E

= F

_G

– F

_A

elektrische Kraft gleicht gerade die um die Auftriebskraft reduzierte Gravitationskraft aus.

Luft Öl

A G E

g r F

d F Uq

ρ ρ

ρ π

ρ = −

=

−

mit

) Vorlesung!

nächste (siehe

3 3 4

oder

3 3 4

U gd q r

g d r

Uq F F

_E _G _A

π ρ

=

⇒

=

₋

Ergebnis:

Einheit der elektrischen Ladung:

Das Milikan-Experiment (1910, Nobelpreis 1923)

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r Permittivität des Vakuums

Wichtig:

Richtung von F: Entlang der Verbindungslinie zwischen den Ladungen F<0 : anziehende Kraft

F>0 : abstoßende Kraft Coulomb-Gesetz mit Richtung:

F F

F r

₁₂

= r

₂₁

=

Coulomb-Gesetz

2 2 9

' 0

12 2

2 12 0

0 '

' 2

2 1

10 99 , 8 :

10 85 , 8 10

85 , 4 8

1 C f Nm

Vm As Nm

f C r f

Q F Q

⋅

=

⋅

=

⋅

=

−

ε

πε ε

e

R

r Q f Q

F =

^' ¹₂ ²

⋅ Ist der Einheitsvektor in Richtung der Verbindungslinie zwischen beiden Ladungen.

e

R 1

F

12

Q F

₂₁

Q

₂

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Coulomb-Gesetz: Beispiel

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Das elektrische Feld

Betrachte Ladungsverteilung Nehme Testladung „q“

Eine Ladungsverteilung erzeugt um sich ein elektrisches Feld.

Die elektrische Feldstärke in einem Punkt P ist definiert als:

ist ein Vektor, der in die gleiche Richtung wie die Kraft zeigt

Das Problem faktorisiert in eine Einheits-Probeladung q und eine Eigenschaft der elektrischen Ladungsverteilung: Das elektrische Feld

An jedem Punkt um eine Ladungsverteilung herrscht ein elektrisches Feld.

Die Einheit des elektrischen Feldes ist:

später werden wir sehen:

E q q F

E F

r r r

r = , =

F r

C 1 N

m V C N = 1 E

r

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Das elektrische Feld: Darstellung durch Feldlinien

Feldlinien: Veranschaulichung der Richtung der elektrischen Feldstärke.

Regeln für elektrische Feldlinien:

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Elektrische Feldlinien, Felder

Java Applets zum Spielen mit elektrischen Feldern, Feldlinien und Ladungen sind hier erhältlich:

http://www.schulphysik.de/java/physlet/index.html

Übrigens auch zu vielen anderen Themen der Physik!

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Elektrischer Dipol: Hier zwei entgegengesetzt geladene Metallkugeln

Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld

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2. Die Platten werden auseinanderbewegt.

Der Dipol beginnt sich zu drehen, bis seine negative Seite der positiven Platte gegenüber liegt und umgekehrt.

3. Der Plattenkondensator wird umgepolt. Der Dipol dreht sich wieder, bis seine negative Seite wieder der Platte gegenüberliegt und umgekehrt.

Versuch: Ausrichten eines Dipols im elektrischen Feld

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Ein elektrischer Dipol versucht, sich in Richtung der Feldlinien zu drehen!

Grießkorn (neutral)

Grießkorn ím elektrischen Feld:

Polarisation. Es entsteht ein elektrischer Dipol.

Versuch:

Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner

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Grießkörner schwimmen in Rhizinusöl. Weil sie kleine elektrische Dipole sind, richten sie sich im elektrischen Feld aus. Die Spannung zwischen den beiden Polen beträgt 10000 V.

Schematische Darstellung der Feldlinien zwischen zwei gleichgrossen, entgegengesetzten elektrischen Ladungen.

Versuch:

Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner

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+ -

Versuch:

Sichtbarmachen der Richtung der Feldstärke durch Grießkörner

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Zwischen zwei Platte herrscht ein

homogenes elektrisches Feld. (d.h.

Feld ist zwischen den Platten überall gleich stark und hat die gleiche

Richtung.

Das Feld ist innen annähernd homogen, wenn der Plattenabstand klein gegenüber der Seitenlänge/dem Durchmesser einer Platte ist

+ -

Was ändert sich, wenn man zwischen die Platten einen Metallring legt?

nächste Seite.

Randbereich! inhomogenes Feld…

Feld im Plattenkondensator

< d >

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