PHYSIK → Klasse 11 & 12 → Elektrische Feldstärke

Einstieg

In diesem Kapitel wollen wir nun im Detail erklären, wie es zu einem Gewitter kommt.

1. Unter diesem Link wird teilweise erklärt, wie Blitze entstehen.
   1. Arbeite zunächst die wesentlichen Vorgänge zur entstehung von Blitzen innerhalb der Wolke heraus und erstelle eine übersichtliche Skizze zur Erklärung der Vorgänge. Übertrage die Vorgänge auch auf die Entstehung von Blitzen zwischen Erdoberfläche und der Wolke (Tipp: Influenz).
   2. Was ist noch unklar geblieben? Kannst du genau sagen was ein Blitz ist?
   3. Welche Rolle spielt die Leitfähigkeit der Luft?
   4. Welche Rolle spielt das elektrische Feld?
2. Der Blitz im Detail
   Die Abbildung zeigt vereinfacht die Vorgänge zur Entstehung eines Blitzkanals (leitfähiger Luftkanal). Der Blitzkanal geht dem eigentlichen Hauptblitz vorweg. Durch ihn sollen den Elektronen des Hauptblitzes extrem hohe Geschwindigkeiten (nahe Lichtgeschwindigkeit) ermöglicht werden. Forschenden ist jedoch eine ganzheitliche Erklärung zur Entstehung von Blitzen noch nicht gelungen.
   
   1. Erkläre die Vorgänge in der Abbildung. Warum würde sich kein Blitzkanal bilden, wenn das Ausgangselektron nicht stark genug beschleunigt werden würde?
      Hilfreiche Begriffe: Lawine, Beschleunigung, Ionisationsenergie, Ionisation, Arbeit, Elektrisches Feld, Licht
   2. Berechne die Kraft die auf 1 C wirken muss, damit ein entsprechendes Elektron, welches aus der Ruhe beschleunigt wird, ausreichend Bewegungsenergie besitzt um ein Molekül in der Luft zu ionisieren. Die Ionisationsenergie von Luft beträgt durschnittlich 35 eV. Die beschleunigte Strecke ca. 0.00035 m. Die gesamte am Elektron verrichtete Arbeit (\(\Delta E=F\cdot d\)) wird in Bewegungsenergie umgewandelt.
   3. Berechne mithilfe der vorherigen Aufgabe die Geschwindigkeit eines Elektrons nach einer Sekunde, wenn dieses in dem Elektrischen Feld aus der Ruhe beschleunigt werden würde. Die Masse des Elektrons beträgt \(m_e=9\cdot 10^{-31}\) kg.
   4. Was versteht man wohl unter der elektrischen Feldstärke?

Aufgaben

1. Elektrische Feldstärke im Gedankenexperiment messen
   Plane eine Experiment, in dem du die elektrische Feldstärke in einem homogenen elektrischen Feld eines Plattenkondensators misst. Fertige eine Skizze für den Versuchsaufbau an. Dir stehen folgende Geräte zur verfügung:
   1. Plattenkondensator
   2. Hochspannungsnetzgerät
   3. Extrem empfindliche Waage
   4. Ladungslöffel an Isolierstab
   5. Ladungsmessgerät
2. Elektrische Feldstärke messen
   In dem Experiment wird die elektrische Feldstärke gemessen.
   1. Beschreibe Aufbau und Durchführung des Experiments.
   2. In wie fern unterscheidet sich das Experiment zu dem selbst überlegten Experiment aus der vorherigen Aufgabe?
   3. Wir wissen vom Fadenpendel bereits, dass die rücktreibende Kraft auf die Metallkugel durch die Gewichtskraft proportional zur Auslenkung für kleine Auslenkwinkel ist. Bestätige damit und mithilfe des Experiments, das \[F_{el}\sim q\] ist, wobei \(q\) die Ladung auf der Kugel und \(F_{el}\) die elektrostatische Kraft auf die Kugel ist.
3. Feld eines Plattenkondensators
   Wie könnte man mithilfe des obigen Aufbaus zeigen, dass das die Feldstärke in einem Plattenkondensator überall gleich ist?
4. Ein Elektron befindet sich in dem E-Feld eines Plattenkondensators.
   1. Beschreibe die Bewegung des Elektrons.
   2. Berechne die Kraft die auf ein Elektron wirken muss, damit es nach 10 s eine Geschwindigkeit von 10 m/s besitzt.
   3. Das Elektron wird aus der Ruhe durch das Feld beschleunigt. Nach nach 9 ns besitzt es eine Geschwindigkeit \(16\cdot 10^5\frac{m}{s}\). Berechne die elektrische Feldstärke des Plattenkondensators.
   4. Berechne den zurückgelegten Weg des Elektrons nach 9 ns.
   5. Berechne die vom elektrischen Feld am Elektron verrichtete Arbeit nach 9 ns.