Physik · Klasse 12 · Kapitel

Q1: Elektrisches Feld und Kondensator

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Beispiel vorgerechnet, Schritt für Schritt
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Achtung typischer Fehler
Weiterdenken zum Knobeln und Vernetzen

○ mit Starthilfe, ● für alle, ★ zum Weiterdenken. Du wählst mindestens eine ★-Aufgabe. Du rechnest ins Heft.

1Ich kann die elektrische Feldstärke aus Kraft und Ladung berechnen und Feldlinienbilder deuten.

MerkenFeldstärke und Feldlinien

Die Feldstärke E = F : Q in N/C ist die Kraft je Ladung.

Feldlinien zeigen die Kraft auf eine positive Probeladung, ihre Dichte die Stärke. Sie sind keine Bahnen.

BeispielElektrische Feldstärke

Auf eine Probeladung mit Q = 4 nC wirkt im Feld die Kraft F = 100 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.

Schritt für Schritt

E = F : Q
E = 100 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
Zahlenwerte: 100 : 4 = 25
E = 25 kN/C

E = F : Q
E = 100 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
Zahlenwerte: 100 : 4 = 25
E = 25 kN/C

Ergebnis:

25 kN/C

AchtungUmrechnungszahl falsch

So nicht

2,5 km = 250 m

So richtig

2,5 km = 2,5 · 1000 m = 2500 m

Schreib den Vorsatz als Zahl: k heißt 1000, m heißt ein Tausendstel.

ÜbenJetzt du

○1
Auf eine Probeladung mit Q = 25 nC wirkt im Feld die Kraft F = 6250 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
So fängst du an:
E = F : Q
Lösung zeigen
1. E = F : Q
2. E = 6250 µN : 25 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 6250 : 25 = 250
4. E = 250 kN/C
Ergebnis:
250 kN/C
●2
Auf eine Probeladung mit Q = 4 nC wirkt im Feld die Kraft F = 400 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
Lösung zeigen
1. E = F : Q
2. E = 400 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 400 : 4 = 100
4. E = 100 kN/C
Ergebnis:
100 kN/C
★3
Ein geladenes Staubkorn erfährt im Feld mit E = 25 kN/C die Kraft F = 250 µN. Berechne seine Ladung Q in nC.
Lösung zeigen
1. Q = F : E
2. F = 250 · 10⁻⁶ N, E = 25 · 10³ N/C
3. Q = 10 · 10⁻⁹ C = 10 nC
Ergebnis:
10 nC

2Ich kann Spannung als Arbeit je Ladung und Stromstärke als Ladung je Zeit berechnen.

MerkenSpannung und Stromstärke

Die Spannung U = W : Q ist die Arbeit je Ladung.

Die Stromstärke I = Q : t ist die Ladung je Zeit. Ein Elektron gewinnt bei 1 V die Energie 1 eV.

BeispielSpannung und Arbeit im Feld

Eine Ladung von 10 µC durchläuft die Spannung U = 100 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.

Schritt für Schritt

W = Q · U
µC mal V ergibt µJ.
Zahlenwerte: 10 · 100 = 1000
W = 1000 µJ

W = Q · U
µC mal V ergibt µJ.
Zahlenwerte: 10 · 100 = 1000
W = 1000 µJ

Ergebnis:

1000 µJ

AchtungEinheit vergessen

So nicht

ρ = 54 : 20 = 2,7

So richtig

ρ = 54 g : 20 cm³ = 2,7 g/cm³

Schreib hinter jede Zahl ihre Einheit, auch hinter das Ergebnis.

ÜbenJetzt du

○4
Eine Ladung von 4 µC durchläuft die Spannung U = 200 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
So fängst du an:
W = Q · U
Lösung zeigen
1. W = Q · U
2. µC mal V ergibt µJ.
3. Zahlenwerte: 4 · 200 = 800
4. W = 800 µJ
Ergebnis:
800 µJ
●5
Eine Ladung von 25 µC durchläuft die Spannung U = 100 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
Lösung zeigen
1. W = Q · U
2. µC mal V ergibt µJ.
3. Zahlenwerte: 25 · 100 = 2500
4. W = 2500 µJ
Ergebnis:
2500 µJ
★6
Das Feld verrichtet an der Ladung Q = 5 µC die Arbeit W = 5 mJ. Berechne die Spannung zwischen Start und Ziel.
Lösung zeigen
1. U = W : Q
2. U = 5 · 10⁻³ J : (5 · 10⁻⁶ C)
3. U = 1000 V
Ergebnis:
1000 V

3Ich kann Kapazität, Ladung und Spannung am Kondensator berechnen.

MerkenKapazität

Die Kapazität C = Q : U in F ist die Ladung je Spannung.

Beim Laden trennt die Quelle Ladung: +Q auf der einen, −Q auf der anderen Platte. Gespeichert wird Energie.

BeispielKapazität aus Ladung und Spannung

Ein Kondensator trägt bei U = 30 V die Ladung Q = 30 µC. Berechne seine Kapazität in µF.

Schritt für Schritt

C = Q : U
µC durch V ergibt µF.
Zahlenwerte: 30 : 30 = 1
C = 1 µF

C = Q : U
µC durch V ergibt µF.
Zahlenwerte: 30 : 30 = 1
C = 1 µF

Ergebnis:

1 µF

AchtungFormel falsch umgestellt

So nicht

V = ρ · m

So richtig

ρ = m : V   | · V   | : ρ   →   V = m : ρ

Setz einfache Zahlen ein, zum Beispiel 6 = 12 : 2. Stell zuerst mit Zahlen um, dann mit Buchstaben.

ÜbenJetzt du

○7
Ein Kondensator trägt bei U = 12 V die Ladung Q = 5640 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
So fängst du an:
C = Q : U
Lösung zeigen
1. C = Q : U
2. µC durch V ergibt µF.
3. Zahlenwerte: 5640 : 12 = 470
4. C = 470 µF
Ergebnis:
470 µF
●8
Ein Kondensator trägt bei U = 5 V die Ladung Q = 5 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
1. C = Q : U
2. µC durch V ergibt µF.
3. Zahlenwerte: 5 : 5 = 1
4. C = 1 µF
Ergebnis:
1 µF
★9
Messreihe am Kondensator: Q = 109 µC bei 5 V, 214 µC bei 10 V und 341 µC bei 15 V. Bestimme C als Mittelwert der drei Quotienten.
Lösung zeigen
1. C = Q : U für jede Messung
2. C₁ = 21,8 µF, C₂ = 21,4 µF, C₃ = 22,7 µF
3. Mittelwert: C = 22 µF
Ergebnis:
22 µF

4Ich kann die Feldstärke im Plattenkondensator und seine Kapazität aus Fläche, Abstand und Dielektrikum bestimmen.

MerkenDer Plattenkondensator

Im Plattenkondensator ist das Feld homogen.

Es gilt E = U : d und C = ε₀ · εr · A : d. Größere Fläche und Dielektrikum vergrößern C, größerer Abstand verkleinert sie.

BeispielFeldstärke im Plattenkondensator

Zwei Platten im Abstand d = 8 mm liegen an U = 2000 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.

Schritt für Schritt

E = U : d
1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
Zahlenwerte: 2000 : 8 = 250
E = 250 kV/m

E = U : d
1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
Zahlenwerte: 2000 : 8 = 250
E = 250 kV/m

Ergebnis:

250 kV/m

AchtungEinheiten nicht angeglichen

So nicht

p = 200 N : 50 cm² = 4 Pa

So richtig

50 cm² = 0,005 m², p = 200 N : 0,005 m² = 40 000 Pa

Rechne zuerst alle Angaben in die Einheiten der Formel um.

ÜbenJetzt du

○10
Zwei Platten im Abstand d = 50 mm liegen an U = 100 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
So fängst du an:
E = U : d
Lösung zeigen
1. E = U : d
2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
3. Zahlenwerte: 100 : 50 = 2
4. E = 2 kV/m
Ergebnis:
2 kV/m
●11
Zwei Platten im Abstand d = 10 mm liegen an U = 50 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
Lösung zeigen
1. E = U : d
2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
3. Zahlenwerte: 50 : 10 = 5
4. E = 5 kV/m
Ergebnis:
5 kV/m
★12
Bei d = 4 cm herrscht im Plattenkondensator E = 15 kV/m. Bei gleicher Spannung wird der Abstand auf 2 cm geändert. Berechne E.
Lösung zeigen
1. E = U : d, U bleibt gleich
2. Der Abstand ändert sich um den Faktor 0,5
3. E = 15 kV/m : 0,5 = 30 kV/m
Ergebnis:
30 kV/m

5Ich kann den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Auf- und Entladen mit der Zeitkonstante beschreiben.

MerkenAuf- und Entladen

Die Stromstärke fällt exponentiell mit der Zeitkonstante τ = R · C ab.

Es gilt I = I₀ · e^(−t : τ), nach τ sind noch etwa 37 % übrig, nach der Halbwertszeit τ · ln 2 die Hälfte.

BeispielStrom beim Auf- und Entladen

Ein Kondensator mit C = 100 µF entlädt sich über R = 100 kΩ mit I₀ = 20 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 20 s, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

τ = R · C
τ = 100 kΩ · 100 µF = 10.000 ms
I = 20 mA · e^(−2) = 2,71 mA

τ = R · C
τ = 100 kΩ · 100 µF = 10.000 ms
I = 20 mA · e^(−2) = 2,71 mA

Ergebnis:

2,71 mA

AchtungZeitkonstante und Halbwertszeit verwechselt

So nicht

τ = 10 s, also nach 10 s die Hälfte

So richtig

Nach τ = 10 s sind 37 % übrig. Die Hälfte nach τ · ln 2 = 6,9 s.

Setz t = τ ein: e^(−1) ist etwa 0,37. Die Hälfte gibt es erst nach τ · ln 2.

ÜbenJetzt du

○13
Ein Kondensator mit C = 470 µF entlädt sich über R = 100 kΩ mit I₀ = 1 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 141 s, drei gültige Ziffern.
So fängst du an:
τ = R · C
Lösung zeigen
1. τ = R · C
2. τ = 100 kΩ · 470 µF = 47.000 ms
3. I = 1 mA · e^(−3) = 0,0498 mA
Ergebnis:
0,05 mA
●14
Ein Kondensator mit C = 100 µF entlädt sich über R = 10 kΩ mit I₀ = 5 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 3 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. τ = R · C
2. τ = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
3. I = 5 mA · e^(−3) = 0,249 mA
Ergebnis:
0,249 mA
★15
Ein Kondensator (C = 470 µF) wird über R = 100 kΩ an U₀ = 6 V geladen. Berechne den Ladestrom nach t = 23,5 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. I₀ = U₀ : R
2. I₀ = 6 V : 100 kΩ = 0,06 mA, τ = R · C = 47.000 ms
3. I = 0,06 mA · e^(−0,5) = 0,0364 mA
Ergebnis:
0,036 mA

6Ich kann die Energie eines geladenen Kondensators mit E = ½ · C · U² berechnen.

MerkenEnergie im Kondensator

Ein geladener Kondensator speichert Energie im Feld: E = ½ · C · U².

Doppelte Spannung heißt vierfache Energie.

BeispielEnergie im Kondensator

Ein Kondensator mit C = 47 µF ist auf U = 12 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.

Schritt für Schritt

E = ½ · C · U²
E = 0,5 · 47 · 10⁻⁶ F · (12 V)²
E = 3,38 mJ

E = ½ · C · U²
E = 0,5 · 47 · 10⁻⁶ F · (12 V)²
E = 3,38 mJ

Ergebnis:

3,38 mJ

AchtungDen Faktor ½ vergessen

So nicht

m = 2 kg, v = 3 m/s: E = 2 kg · (3 m/s)² = 18 J

So richtig

E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = 9 J

Schreib die Formel ganz hin: E = ½ · m · v². Nimm am Ende die Hälfte.

ÜbenJetzt du

○16
Ein Kondensator mit C = 22 µF ist auf U = 12 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
So fängst du an:
E = ½ · C · U²
Lösung zeigen
1. E = ½ · C · U²
2. E = 0,5 · 22 · 10⁻⁶ F · (12 V)²
3. E = 1,58 mJ
Ergebnis:
1,58 mJ
●17
Ein Kondensator mit C = 1000 µF ist auf U = 24 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
Lösung zeigen
1. E = ½ · C · U²
2. E = 0,5 · 1000 · 10⁻⁶ F · (24 V)²
3. E = 288 mJ
Ergebnis:
288 mJ
★18
Ein Defibrillator speichert E = 675 J in einem Kondensator mit C = 150 µF. Auf welche Spannung ist er geladen? Berechne U in kV.
Lösung zeigen
1. U = √2 · E : C
2. U = √2 · 675 J : (150 · 10⁻⁶ F)
3. U = 3000 V = 3 kV
Ergebnis:
3 kV

7Ich kann Kräfte zwischen Punktladungen mit dem Coulombschen Gesetz berechnen und Felder mit Pfeilen überlagern.

MerkenCoulombsches Gesetz und Superposition

F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²).

Doppelter Abstand heißt ein Viertel der Kraft. Feldstärken mehrerer Ladungen addieren sich als Pfeile, mit Betrag und Richtung.

BeispielCoulombsches Gesetz

Zwei Punktladungen Q₁ = 80 nC und Q₂ = 20 nC haben den Abstand r = 5 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
r = 0,05 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 20 nC
F = 5,75 · 10⁻³ N = 5,75 mN

F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
r = 0,05 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 20 nC
F = 5,75 · 10⁻³ N = 5,75 mN

Ergebnis:

5,75 mN

AchtungDas Quadrat vergessen

So nicht

m = 2 kg, v = 3 m/s: E = ½ · 2 kg · 3 m/s = 3 J

So richtig

E = ½ · 2 kg · (3 m/s)² = ½ · 2 kg · 9 m²/s² = 9 J

Rechne zuerst v² = v · v aus und schreib die Zeile hin.

ÜbenJetzt du

○19
Zwei Punktladungen Q₁ = 80 nC und Q₂ = 100 nC haben den Abstand r = 5 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
So fängst du an:
F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
Lösung zeigen
1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
2. r = 0,05 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 100 nC
3. F = 2,88 · 10⁻² N = 28,8 mN
Ergebnis:
28,8 mN
●20
Zwei Punktladungen Q₁ = 80 nC und Q₂ = 20 nC haben den Abstand r = 6 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
2. r = 0,06 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 20 nC
3. F = 3,99 · 10⁻³ N = 3,99 mN
Ergebnis:
3,99 mN
★21
Zwei Punktladungen ziehen sich mit F = 4 mN an. Der Abstand wird verdoppelt, die Ladung Q₁ verdoppelt. Berechne die neue Kraft.
Lösung zeigen
1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
2. Q₁: mal 2, Abstand: geteilt durch 2² = 4
3. F = 4 mN · 2 : 4 = 2 mN
Ergebnis:
2 mN

8Ich kann Spannung als Potenzialdifferenz deuten und die Arbeit im Feld berechnen.

MerkenPotenzial

Jeder Punkt im Feld hat ein Potenzial φ.

Die Spannung ist die Differenz: U_AB = φ_A − φ_B. Die Arbeit hängt nur von Anfang und Ende ab, nicht vom Weg.

BeispielPotenzial und Spannung

Punkt A hat das Potenzial φ_A = 150 V, Punkt B hat φ_B = 50 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.

Schritt für Schritt

U_AB = φ_A − φ_B
U_AB = 150 V − (50 V)
U_AB = 100 V

U_AB = φ_A − φ_B
U_AB = 150 V − (50 V)
U_AB = 100 V

Ergebnis:

100 V

AchtungVorzeichen beim Potenzial verloren

So nicht

φ_A = 200 V, φ_B = −100 V: U = 100 V

So richtig

U = φ_A − φ_B = 200 V − (−100 V) = 300 V

Schreib U = φ_A − φ_B mit Klammern hin und rechne das Vorzeichen mit.

ÜbenJetzt du

○22
Punkt A hat das Potenzial φ_A = 600 V, Punkt B hat φ_B = −50 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.
So fängst du an:
U_AB = φ_A − φ_B
Lösung zeigen
1. U_AB = φ_A − φ_B
2. U_AB = 600 V − (−50 V)
3. U_AB = 650 V
Ergebnis:
650 V
●23
Punkt A hat das Potenzial φ_A = 300 V, Punkt B hat φ_B = 80 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.
Lösung zeigen
1. U_AB = φ_A − φ_B
2. U_AB = 300 V − (80 V)
3. U_AB = 220 V
Ergebnis:
220 V
★24
Ein Elektron fliegt von A (φ_A = −300 V) über C (φ_C = 700 V) nach B (φ_B = 400 V). Welche Energie gewinnt es? Berechne in eV.
Lösung zeigen
1. W = e · (φ_B − φ_A), der Weg dazwischen zählt nicht
2. φ_B − φ_A = 400 V − (−300 V)
3. W = e · 700 V = 700 eV
Ergebnis:
700 eV

9Ich kann die Gesamtkapazität von Kondensatoren in Reihen- und Parallelschaltung berechnen.

MerkenKondensatoren schalten

Parallel addieren sich die Kapazitäten: C = C₁ + C₂.

In Reihe addieren sich die Kehrwerte: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂, das Ergebnis ist kleiner als jede einzelne.

BeispielKondensatoren in Reihe und parallel

Zwei Kondensatoren mit C₁ = 40 µF und C₂ = 10 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.

Schritt für Schritt

In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
1 : C = 1 : 40 + 1 : 10
C = 40 · 10 : (40 + 10) µF = 8 µF

In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
1 : C = 1 : 40 + 1 : 10
C = 40 · 10 : (40 + 10) µF = 8 µF

Ergebnis:

8 µF

AchtungReihen- und Parallelschaltung verwechselt

So nicht

parallel: R = 20 Ω + 20 Ω = 40 Ω

So richtig

parallel: R = 10 Ω, in Reihe: R = 40 Ω

Zeichne den Weg des Stroms. Ein Weg heißt Reihe, zwei Wege heißt parallel.

ÜbenJetzt du

○25
Zwei Kondensatoren mit C₁ = 10 µF und C₂ = 10 µF sind parallel geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
So fängst du an:
Parallel: C = C₁ + C₂
Lösung zeigen
1. Parallel: C = C₁ + C₂
2. Die Ladungen addieren sich bei gleicher Spannung.
3. Zahlenwerte: 10 + 10 = 20
4. C = 20 µF
Ergebnis:
20 µF
●26
Zwei Kondensatoren mit C₁ = 47 µF und C₂ = 68 µF sind parallel geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
Lösung zeigen
1. Parallel: C = C₁ + C₂
2. Die Ladungen addieren sich bei gleicher Spannung.
3. Zahlenwerte: 47 + 68 = 115
4. C = 115 µF
Ergebnis:
115 µF
★27
C₁ = 2 µF und C₂ = 4 µF sind parallel geschaltet, dazu liegt C₃ = 12 µF in Reihe. Berechne die Gesamtkapazität.
Lösung zeigen
1. Parallel: C₁₂ = C₁ + C₂
2. C₁₂ = 2 µF + 4 µF = 6 µF
3. In Reihe: 1 : C = 1 : 6 + 1 : 12, also C = 4 µF
Ergebnis:
4 µF

10Ich kann Spannung und Ladung beim Auf- und Entladen mathematisch beschreiben und die Ladung aus der Fläche unter der I-t-Kurve bestimmen.

MerkenSpannung und Ladung im Verlauf

Laden: U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)).

Entladen: U = U₀ · e^(−t : τ). Die Fläche unter der I-t-Kurve ist die Ladung, beim Entladen Q = I₀ · τ.

BeispielSpannung beim Auf- und Entladen

Ein Kondensator mit C = 10 µF wird über R = 1 kΩ an U₀ = 24 V geladen. Berechne U_C nach t = 30 ms, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
τ = R · C = 10 ms, t : τ = 3
U = 22,8 V

U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
τ = R · C = 10 ms, t : τ = 3
U = 22,8 V

Ergebnis:

22,8 V

AchtungLade- und Entladekurve verwechselt

So nicht

Laden: U = U₀ · e^(−t : τ)

So richtig

Laden: U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)); Entladen: U = U₀ · e^(−t : τ)

Frag, was exponentiell fällt: beim Laden der Rest bis U₀, beim Entladen die Spannung selbst.

ÜbenJetzt du

○28
Ein Kondensator mit C = 47 µF wird über R = 22 kΩ an U₀ = 24 V geladen. Berechne U_C nach t = 2,07 s, drei gültige Ziffern.
So fängst du an:
U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
Lösung zeigen
1. U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
2. τ = R · C = 1034 ms, t : τ = 2
3. U = 20,8 V
Ergebnis:
20,8 V
●29
Ein Kondensator mit C = 10 µF wird über R = 47 kΩ von U₀ = 24 V aus entladen. Berechne U_C nach t = 1,41 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. U = U₀ · e^(−t : τ)
2. τ = R · C = 470 ms, t : τ = 3
3. U = 1,19 V
Ergebnis:
1,19 V
★30
Ein Kondensator mit C = 220 µF wird über R = 47 kΩ geladen. Nach welcher Zeit hat er 90 % der Endspannung erreicht? Berechne t.
Lösung zeigen
1. U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)), also t = −τ · ln(1 − U : U₀)
2. τ = 10.340 ms, 1 − 0,9 = 0,1
3. t = 10.340 ms · 2,3 = 23,8 s
Ergebnis:
23,8 s

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

●31
Auf eine Probeladung mit Q = 4 nC wirkt im Feld die Kraft F = 320 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
Lösung zeigen
1. E = F : Q
2. E = 320 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 320 : 4 = 80
4. E = 80 kN/C
Ergebnis:
80 kN/C
●32
Im Feldlinienbild einer Ladung von 5 nC liegen die Linien an der Stelle A dichter als an der Stelle B. Was folgt daraus?
Lösung zeigen
1. Die Dichte der Feldlinien zeigt den Betrag der Feldstärke.
2. Dichter heißt stärker: Bei A wirkt auf dieselbe Ladung die größere Kraft.
3. Also: Die Feldstärke ist bei A größer als bei B.
Ergebnis:
Die Feldstärke ist bei A größer als bei B.
●33
Durch einen Draht fließt 3 min lang der Strom I = 100 mA. Berechne die Ladung, die hindurchfließt, in C.
Lösung zeigen
1. Q = I · t
2. I = 0,1 A, t = 180 s
3. Q = 0,1 A · 180 s = 18 C
Ergebnis:
18 C
●34
Ein Kondensator trägt bei U = 24 V die Ladung Q = 2400 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
1. C = Q : U
2. µC durch V ergibt µF.
3. Zahlenwerte: 2400 : 24 = 100
4. C = 100 µF
Ergebnis:
100 µF
●35
Ein Kondensator mit C = 10 µF liegt an der Spannung U = 9 V. Welche Ladung sitzt auf der Plusplatte? Berechne Q.
Lösung zeigen
1. Q = C · U
2. µF mal V ergibt µC.
3. Zahlenwerte: 10 · 9 = 90
4. +90 µC und −90 µC
Ergebnis:
90 µC
●36
Zwei Platten im Abstand d = 20 mm liegen an U = 50 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
Lösung zeigen
1. E = U : d
2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
3. Zahlenwerte: 50 : 20 = 2,5
4. E = 2,5 kV/m
Ergebnis:
2,5 kV/m

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Feldstärke und Feldlinien: Die Feldstärke E = F : Q in N/C ist die Kraft je Ladung.
Spannung und Stromstärke: Die Spannung U = W : Q ist die Arbeit je Ladung.
Kapazität: Die Kapazität C = Q : U in F ist die Ladung je Spannung.
Der Plattenkondensator: Im Plattenkondensator ist das Feld homogen.
Auf- und Entladen: Die Stromstärke fällt exponentiell mit der Zeitkonstante τ = R · C ab.
Energie im Kondensator: Ein geladener Kondensator speichert Energie im Feld: E = ½ · C · U².
Coulombsches Gesetz und Superposition: F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²).
Potenzial: Jeder Punkt im Feld hat ein Potenzial φ.
Kondensatoren schalten: Parallel addieren sich die Kapazitäten: C = C₁ + C₂.
Spannung und Ladung im Verlauf: Laden: U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)).

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

Ich kann die elektrische Feldstärke aus Kraft und Ladung berechnen und Feldlinienbilder deuten.
37
Auf eine Probeladung mit Q = 4 nC wirkt im Feld die Kraft F = 800 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
Lösung zeigen
Ergebnis:
200 kN/C
Ich kann Spannung als Arbeit je Ladung und Stromstärke als Ladung je Zeit berechnen.
38
Eine Ladung von 2 µC durchläuft die Spannung U = 230 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
Lösung zeigen
Ergebnis:
460 µJ
Ich kann Kapazität, Ladung und Spannung am Kondensator berechnen.
39
Ein Kondensator trägt bei U = 15 V die Ladung Q = 70,5 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
Ergebnis:
4,7 µF
Ich kann die Feldstärke im Plattenkondensator und seine Kapazität aus Fläche, Abstand und Dielektrikum bestimmen.
40
Zwei Platten im Abstand d = 20 mm liegen an U = 50 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
Lösung zeigen
Ergebnis:
2,5 kV/m
Ich kann den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Auf- und Entladen mit der Zeitkonstante beschreiben.
41
Ein Kondensator mit C = 220 µF entlädt sich über R = 10 kΩ mit I₀ = 10 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 2,2 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
Ergebnis:
3,68 mA
Ich kann die Energie eines geladenen Kondensators mit E = ½ · C · U² berechnen.
42
Ein Kondensator mit C = 1000 µF ist auf U = 6 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
Lösung zeigen
Ergebnis:
18 mJ
Ich kann Kräfte zwischen Punktladungen mit dem Coulombschen Gesetz berechnen und Felder mit Pfeilen überlagern.
43
Zwei Punktladungen Q₁ = 10 nC und Q₂ = 5 nC haben den Abstand r = 3 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
Ergebnis:
0,499 mN

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Differenz: was übrig bleibt, wenn man abzieht

Lösungen

250 kN/C
100 kN/C
10 nC
800 µJ
2500 µJ
1000 V
470 µF
1 µF
22 µF
2 kV/m
5 kV/m
30 kV/m
0,05 mA
0,249 mA
0,036 mA
1,58 mJ
288 mJ
3 kV
28,8 mN
3,99 mN
2 mN
650 V
220 V
700 eV
20 µF
115 µF
4 µF
20,8 V
1,19 V
23,8 s
80 kN/C
Die Feldstärke ist bei A größer als bei B.
18 C
100 µF
90 µC
2,5 kV/m
200 kN/C
460 µJ
4,7 µF
2,5 kV/m
3,68 mA
18 mJ
0,499 mN