Physic - Electronic by rkothmayer

VIEWS: 26 PAGES: 9

									ELEKTROSTATIK

Allgemein: beschäftigt sich mit ruhenden elektrischen Ladungen

Erhaltungsgesetz der elektrischen Ladung:
In einem abgeschlossenen System (kann keine Ladungen mit Umgebung ausstauschen) bleibt
die Anzahl der elektrischen Ladungen erhalten. Ladungen können nicht aus dem nichts
entstehen oder verschwinden.

Bedeutung von elektrisch: kommt von griechischen „elektron“ und bedeutet Bernstein, weil
die Griechen beobachtet haben, dass sich elektrostatisch auflädt und Sachen anzieht, wenn
man einen Bernstein reibt.

Elektrische Wechselwirkung:
Gleichnahmige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnahmige Ladungen ziehen einander an,
zwischen ungeladenen Körpern keine Kraft.
Zusatzbemerkung: Zwischen elektrischen Ladungen wirkt eine elektrische Kraft =
Wechselwirkung.

Elektroskop ( Gerät zur Messung der elektrischen Ladung):
Besteht aus 2 Metallplatten, von denen eine drehbar ist. Wenn der geladene Körper die Spitze
berührt, wird die Ladung auf beide Platten übertragen und die jetzt gleichnahmigen Ladungen
stoßen ab. Wenn ein ungeladener Körper die Spitze berührt, findet keine Bewegung der
Platten statt. Zur Messung muss kein Strom fließen.

Coulombsches Gesetz:
Beschreibt die Kraft zwischen 2 Ladungen

Unabhängigkeitsgesetz der elektrischen Ladung:
Wirken auf einen geladenen Körper die Kräfte zweier oder mehrerer Ladungen, so
beeinflussen diese einander nicht, sondern überlagern sich ungestört im
Kräfteparallelogramm. Addition nach Kräfteparallelogramm ergibt sich aus den Teilkräften
durch zeichnen eines Parallelogramms.

Elektrisches Feld (lasst sich durch Feldlinien beschreiben und wird Vektorfeld genannt):




Damit die Zentralladung (in der Mitte), deren Feld man messen will, sich beim Messen nicht
wegbewegt, muss man für die Testladung eine winzig kleine Ladung nehmen, die keinen
Einfluss auf die Zentralladung hat. Wenn man in jedem Punkt die Kraft einzeichnet, die auf
die Testladung wirkt, bekommt man die Feldlinien des Elektrischen Feldes. Feldlinien
kreuzen sich nie.
Zusatzbemerkung: Je stärker das Feld ist, desto größer ist die Kraft auf die Testladung. Die
Dichte der Feldlinien ist ein Maß für die Stärke der Kraft.

Vokabular:
Vektorfeld = Pfeile
Quelle = Feldlinien weg vom Mittelpunkt, dient positive Ladung
Senke = Feldlinien zum Mittelpunkt, dient negative Ladung

1. Feld um eine positiv geladene Kugel (Elektrisches Feld einer Punktladung) 3 Bild

Die Kraftlinien sind von der Kugeloberfläche ausgehende Strahlen.

2. Feld um zwei geladene Kugeln mit den Ladungen + Q 2 Bild

Das Feld verhält sich so, als ob quer zu den Kraftlinien ein Druck bestünde.

3. Feld um zwei Kugeln mit den Ladungen + Q und – Q (Elektrisches Feld eines Dipols) 1 Bild

Das Feld verhält sich so, als ob in Richtung der Kraftlinien ein Zug bestünde.


Elektrisches Feld einer beliebigen Ladungsverteilung:

Elektrisches Feld einer Hohlkugel:

Im Inneren einer Karosserie (bzw. einer Hohlkugel) wirken keine elektrischen Ladungen.
Ladungen sitzen an der Oberfläche bzw. in der Karosserie. Außen : Feld einer Punktladung.
Es schaut aus großer Entfernung wie ein Feld einer Punktladung aus.

Elektrisches Feld einer geladenen Platte:

Elektrisches Feld ist in diesem Bereich konstant bei den Feldlinien. Das heißt die Feldlinien
sind regelmäßig parallel.

Elektrisches Feld eines Plattenkondensators:

Wenn der Abstand der Platten klein ist, ist das elektrische Feld homogen, das heißt alle
Feldlinien zeigen in dieselbe Richtung. Außerdem sind die Feldlinien am Rande der Platten
und im Außenraum vernachlässigbar klein.
Elektrisches Feld einer positiven oder negativen geladenen Platte:




Ladungstrennung durch Influenz:

Allgemein: Influenz bezeichnet die Trennung von positiven und negativen Ladungen eines
leitenden Körpers durch ein elektrisches Feld (Ladungstrennung in Metallen)




Influenzladungen lassen sich nachweisen, indem man zwei gleich große, an Isolierstangen
befestigte Probeplatten aus Metall in ein homogenes, elektrisches Feld bringt. Ein elektrisch
neutraler Körper besitzt gleich viele positive und negative Ladungsträger. Die negativen
Ladungen werden durch das elektrische Feld angezogen und zur positiven Kondensatorplatte
verschoben und umgekehrt. Auf der rechten Platte entsteht eine gleichgroße positive Ladung.
Wenn man die Leitplatten trennt, dann entsteht ein Feld zwischen den Leiterplatten. Die
Feldlinien der Leiterplatten sind entgegengesetzt den Feldlinien des Kondensators. Dadurch
kommt es zur Ausslöschung der Feldlinien von beiden. Wenn man den Leiter rausbringt ohne
Berührung aus dem Kondensatorfeld, löschen sich die Felder nicht mehr aus und man hat ein
elektrisches Feld zwischen den Leiterplatten.
Bestimmung der Elementarladung:

Durch Milikan. Er wolltedie Größe der Elementarladung bestimmen.

Die Versuchsanordnung besteht aus einem kleinen Plattenkondensator mit waagrecht
angeordneten Platten, ein Beobachtungsmikroskop, damit werden kleinste geladene
Öltröpfchen beobachtet. Zu Beginn sind die Öltröpfchen neutral (gemischte Ladung). In einen
Kunststoffzylinder, der sich überhalb des Plattenkondensators befindet, wird mit einer
Pustevorrichtung ein Ölnebel eingesprüht = Reibung. Durch die Reibung laden sich die
Öltröfchen positiv und negativ auf. Die positiven Laden sinken und die negativen Öltröpfchen
steigen auf, da eine Spannung wegen des Ladungsunterschiedes herrscht. Bei positiv ist ein
Elektronenmangel, bei negativ ist ein Elektronenüberschuss. Nach dem Auswerten von vielen
beobachteten Öltröpfchen zeigt ein Diagramm, dass die Öltröpfchen ein ganzzahliges
Vielfaches der Elementarladung ist. Dadurch gibt es kleinste unteilbare Ladung =
Elementarladung.

Elektrische Spannung:
Wenn ich die Testladung gegen die Feldlinien verrichten will, muss ich Arbeit aufbringen.
Arbeit wird nur für die Wegstücke verrichtet die parallel zu Feldlinien verlaufen.
Beispiel: Wenn man eine Ladung auf 2 verschiedenen Wegen zum selben Punkt bringen will,
wird nur auf den Wegstücken parallel zu den Feldlinien Arbeit verrichtet (Wegstücke quer zu
Feldlinien verrichten keinen Beitrag zur Arbeit). Arbeit hängt nur vom Anfangs und Endpunkt
ab, nicht vom Weg selbst.

Elektrisches Potential:
Das elektrische Potential einer Teilladung ist die Spannung zwischen U1 und einem festen
Referenzpunkt U2. Dadurch wird die Spannung ausgerechnet. Der Anfangspunkt weniger
dem Endpunkt.

Kondensator:
2 Metallplatten die gegeneinander isoliert sind, d.h die sich nicht berühren.

Materie im Feld eines Kondensators:
Das Kondensatorfeld wird abgeschwächt, weil in der Materie( Stoffe können Leiter oder
Isolatoren sein) die Feldlinien ausgelöscht werden. Die Abschwächung hängt vom Material
der Materie ab. Ein Kondensatorfeld ist nur abgeschächt wenn die Materie drin ist. Wenn die
Materie draußen ist, ist das Kondensatorfeld normal.

Vokabular:
Dielektrikum: Materie zwischen den Kondensatorplatten
Dielektrikumskonstante: Faktor um das das Kondensatorfeld insgesamt abgeschwächt wurde.

Normaler Kondensator:
Kapazität ist eine fixe Zahl und nicht veränderbar.

Elektrolyt Kondensator:
Eine Platte besteht aus einer Paste (Elektrolyt) und die andere aus Metall. Metalloxydschicht
isoliert, sodass es nicht zum Ausgleich der Ladungsträger kommt.
Vokabular:
Kondensatorplatten sind oft aus Alu Folie
Dielektrum = Metalloxydschicht aus Aluminiunoxid

Kondensator mit veränderlichen Kapazität:
Bei einem Drehkondensator ist die Kapazität veränderlich umstellbar.

Kapazität:
Kapazität eines Kondensators ist seine Fähigkeit, Ladungen zu speichern.

Metallpapierkondensator:
Auf das Papier werden Metallschichten aufgedampft. Es entstehen 2 Kondensatorenplatten
(Metallschichten). Dazwischen ist Papier. Metallpapierkondensatoren sind dünner als die
Papierkondensatoren.

Keramikkondensator:
Auf den Keramikzylinder werden Metallschichten innen und ausen aufgedampft. Es entstehen
2 Kondensatorplatten. Dazwischen ist Keramik.

Drehkondensator (zB. Radio): ////////

Schaltungen von Kondensatoren:
Es gibt 2 Arten von Schlatungen.
1.Parallelschaltung
2.Serienschaltung

Allgemein:
Eine Parallelschaltung von Kondensatoren ist dann gegeben, wenn der Strom sich an den
Kondensatoren aufteilt und an den Kondensatoren die gleiche Spannung anliegt.
An Punkt A teilt sich der Strom auf und an Punkt B fließt er wieder zusammen. Zwischen
Punkt A und Punkt B liegt die Gesamtspannung an. Anmerkung: Durch Kondensatoren
können nur Wechselströme fliesen.
Kondensatoren werden sehr häufig parallelgeschaltet, um die Kapazität zu erhöhen.




Eine Reihenschaltung von Kondensatoren ist dann gegeben, wenn durch alle Kondensatoren
der gleiche Wechselstrom fließt. Anmerkung: Durch Kondensatoren können nur
Wechselströme fließen.
Die Reihenschaltung bewirkt eine Kapazitätsverringerung. Manchmal nennt man die
Reihenschaltung auch Serienschaltung. Egal wie, die Kondensatoren werden immer
hintereinander geschaltet.




.

Gleichstrom

Wie fließen die Elektronen beim Gleichstrom?
Die Elektronen fließen bei Gleichstrom vom Minus zum Pluspol da Elektronen negativ
geladene Teilchen sind und zum Pluspol (Gegenpol) strömen = Stromrichtung

Gleichstrom fließt ständig in dieselbe Richtung (ändert seine Richtung nicht). Typische
Gleichstromquellen sind beispielsweise Batterien, Akkus und Solarzellen.

Einheit: [I]   Ladung pro Zeit in/nach Ampere

Messung von Spannung & Stromstärcke:

Reihenschaltung ->Ampermeter zum messen der Stromstärke

Parallelschlatung ->Voltmeter zum messen der Spannung

Reihenschlatung:

Verhalten des Stroms: In einer Parallelschaltung sind verschiedene Verbraucher parallel zur
Spannungsquelle angeschlossen. Eine Reihenschaltung von Widerständen ist dann gegeben,
wenn durch alle Widerstände der gleiche Strom fließt.
In der Reihenschaltung unterscheidet man zwischen der Spannung Uges der Spannungsquelle
und den Spannungsabfällen an den Widerständen. Manchmal nennt man die Reihenschaltung
auch Serienschaltung.

 Verhalten der Spannungen: Da der Strom in der Reihenschaltung überall gleich groß ist,
verursachen die ungleichen Widerstände unterschiedliche Spannungen.

Widerstand: Die Gesamtspannung Uges teilt sich an den Widerständen in der
Reihenschaltung auf.

Bsp: Alarmanlagen, Weihnachtslichterkette
Parallelschlatung:

Verhalten der Spannungen: EIn einer Reihenschaltung sind Spannungsquellen und
Verbraucher hintereinander angeschlossen.Eine Parallelschaltung von Widerständen ist dann
gegeben, wenn der Strom sich an den Widerständen aufteilt und an allen Widerständen die
gleiche Spannung anliegt.

Widerstand: Der Gesamtstrom Iges teilt sich am Verzweigungspunkt der Widerstände in
mehrere Teilströme auf.

Da die Spannung in der Parallelschaltung überall gleich groß ist, verursachen die
unterschiedlichen Widerstände unterschiedliche Teilströme. Die Ströme verhalten sich
umgekehrt zu ihren Widerständen.

Bsp: Klingel, Steckdosen im Haushalt

Ohmsches Gesetz:

Das Ohmsche Gesetz beschreibt das Verhältniss zwischen Spannung , Strom und Widerstand
in einem Stromkreis .
Ein einfacher Stromkreis wird aus einer Stromquelle und einem Widerstand gebildet .
                                              .
                                            z.B.




                                               .
                                  U = Spannung in Volt (V)
                                   I = Strom in Ampere (A)
                                R = Widerstand in Ohm ( )
                                               .
Die größe der Spannung U verursacht durch den Widerstand R einen bestimmten Strom I .
Je größer der Widerstand bei gleicher Spannung ist , desto kleiner ist der Strom und
umgekehrt .
Je größer die Spannung bei gleichem Widerstand ist , desto größer ist der Strom und
umgekehrt .
Solarzelle:

Die Solarzelle wandelt Licht in einen elektrischen Strom um.

Die Photonen (Sonnenstrahlung) des Lichts lösen Elektronen aus den Elektronen-
Paarbindungen der oberen n-Schicht heraus.
Die Sperrschicht verhindert diesen Elektronen den direkten Weg nach unten, so dass sie die
Leitungen benützen müssen und dabei den Solarmotor mit elektrischer Energie versorgen.

Elektronen überschuss in p-leiter Elektronenmangel in n-leiter

p-Schicht sehr dünn im gegensatz zur n- Schicht ->unzynatischer pn Übergang

Leuchtiode (LED = Licht emittierende Diode)

Leuchtdioden wandeln elektrische Strom in Licht um.

Leuchtioden bestehen aus zwei Schichten von Halbleitermaterial. Die eine Schicht weist
einen Überschuss an Elektronen auf (n-Schicht). Die zweite „leidet“ dagegen unter einem
Elektronenmangel, es ist eine Überzahl an „Elektronenlöchern“ vorhanden. Erreicht wird
diese unterschiedliche Ladungsverteilung durch die gezielte Zugabe von anderen Atomen wie
z.B. Bor oder Silizium zu dem ansonsten reinen Halbleitermaterial.

Werden die beiden Schichten (n- und p-Schicht) nun zusammengebracht gleichen sich die
Ladungsunterschiede in der Grenzschicht aus. Es fließt kein Strom und der n-p-Körper ist
neutral (gleich viel Elektronen wie Neutronen). Wird jedoch eine Spannung in Flussrichtung
angelegt, so genügt schon eine kleine Spannung, um einen Stromfluss von der n-Schicht zur
p-Schicht zu starten.

Nun fließen die Elektronen von der n-Schicht mit dem Elektronenüberschuss in die p-Schicht
mit dem Elektronenmangel. Dort werden sie von den „Elektronenlöchern eingefangen“.
Sprich die Elektronen rekombinieren mit den positiv geladenen Atomen. Dabei geben die
Elektronen ihre enthaltene Energie in Form von Lichtblitzen frei.

Vorteile: geringer Energieverbrauch, erschütterungsunempfindlich
Halbleiter & elektronik

Diode:

Eine Diode hat die Eigenschaft, Strom nur in einer Richtung durchzulassen.

Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial,
die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig
von der Polung einer externen Spannungquelle entweder ein Stromfluß statt oder wird komplett
unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.

								
To top