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 = 40 nC wirkt im Feld die Kraft F = 1600 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.

Schritt für Schritt

E = F : Q
E = 1600 µN : 40 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
Zahlenwerte: 1600 : 40 = 40
E = 40 kN/C

E = F : Q
E = 1600 µN : 40 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
Zahlenwerte: 1600 : 40 = 40
E = 40 kN/C

Ergebnis:

40 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 = 4 nC wirkt im Feld die Kraft F = 80 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
So fängst du an:
E = F : Q
Lösung zeigen
1. E = F : Q
2. E = 80 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 80 : 4 = 20
4. E = 20 kN/C
Ergebnis:
20 kN/C
●2
Auf eine Probeladung mit Q = 5 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 : 5 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 400 : 5 = 80
4. E = 80 kN/C
Ergebnis:
80 kN/C
★3
Ein geladenes Staubkorn erfährt im Feld mit E = 40 kN/C die Kraft F = 400 µN. Berechne seine Ladung Q in nC.
Lösung zeigen
1. Q = F : E
2. F = 400 · 10⁻⁶ N, E = 40 · 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 25 µC durchläuft die Spannung U = 24 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.

Schritt für Schritt

W = Q · U
µC mal V ergibt µJ.
Zahlenwerte: 25 · 24 = 600
W = 600 µJ

W = Q · U
µC mal V ergibt µJ.
Zahlenwerte: 25 · 24 = 600
W = 600 µJ

Ergebnis:

600 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 25 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: 25 · 200 = 5000
4. W = 5000 µJ
Ergebnis:
5000 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 = 4 µC die Arbeit W = 0,6 mJ. Berechne die Spannung zwischen Start und Ziel.
Lösung zeigen
1. U = W : Q
2. U = 0,6 · 10⁻³ J : (4 · 10⁻⁶ C)
3. U = 150 V
Ergebnis:
150 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 = 24 V die Ladung Q = 5280 µC. Berechne seine Kapazität in µF.

Schritt für Schritt

C = Q : U
µC durch V ergibt µF.
Zahlenwerte: 5280 : 24 = 220
C = 220 µF

C = Q : U
µC durch V ergibt µF.
Zahlenwerte: 5280 : 24 = 220
C = 220 µF

Ergebnis:

220 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 = 264 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: 264 : 12 = 22
4. C = 22 µF
Ergebnis:
22 µF
●8
Ein Kondensator trägt bei U = 15 V die Ladung Q = 3300 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
1. C = Q : U
2. µC durch V ergibt µF.
3. Zahlenwerte: 3300 : 15 = 220
4. C = 220 µF
Ergebnis:
220 µF
★9
Messreihe am Kondensator: Q = 50 µC bei 5 V, 100 µC bei 10 V und 151 µC bei 15 V. Bestimme C als Mittelwert der drei Quotienten.
Lösung zeigen
1. C = Q : U für jede Messung
2. C₁ = 10 µF, C₂ = 10 µF, C₃ = 10,1 µF
3. Mittelwert: C = 10 µF
Ergebnis:
10 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 = 5 mm liegen an U = 1000 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: 1000 : 5 = 200
E = 200 kV/m

E = U : d
1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
Zahlenwerte: 1000 : 5 = 200
E = 200 kV/m

Ergebnis:

200 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 = 25 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 : 25 = 4
4. E = 4 kV/m
Ergebnis:
4 kV/m
●11
Zwei Platten im Abstand d = 2 mm liegen an U = 400 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: 400 : 2 = 200
4. E = 200 kV/m
Ergebnis:
200 kV/m
★12
Trockene Luft schlägt bei etwa 3 kV je Millimeter durch. Welche Spannung hält ein Luftspalt von d = 4 mm höchstens aus? Berechne U.
Lösung zeigen
1. U = E · d
2. E = 3 kV/mm, d = 4 mm
3. Zahlenwerte: 3 · 4 = 12
4. U = 12 kV
Ergebnis:
12 kV

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 = 47 µF entlädt sich über R = 100 kΩ mit I₀ = 1 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 4,7 s, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

τ = R · C
τ = 100 kΩ · 47 µF = 4700 ms
I = 1 mA · e^(−1) = 0,368 mA

τ = R · C
τ = 100 kΩ · 47 µF = 4700 ms
I = 1 mA · e^(−1) = 0,368 mA

Ergebnis:

0,368 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 = 10 µF entlädt sich über R = 47 kΩ mit I₀ = 1 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 235 ms, drei gültige Ziffern.
So fängst du an:
τ = R · C
Lösung zeigen
1. τ = R · C
2. τ = 47 kΩ · 10 µF = 470 ms
3. I = 1 mA · e^(−0,5) = 0,607 mA
Ergebnis:
0,607 mA
●14
Ein Kondensator mit C = 220 µF entlädt sich über R = 10 kΩ mit I₀ = 5 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 6,6 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. τ = R · C
2. τ = 10 kΩ · 220 µF = 2200 ms
3. I = 5 mA · e^(−3) = 0,249 mA
Ergebnis:
0,249 mA
★15
Ein Kondensator (C = 47 µF) wird über R = 2,2 kΩ an U₀ = 9 V geladen. Berechne den Ladestrom nach t = 155 ms, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. I₀ = U₀ : R
2. I₀ = 9 V : 2,2 kΩ = 4,09 mA, τ = R · C = 103,4 ms
3. I = 4,09 mA · e^(−1,5) = 0,913 mA
Ergebnis:
0,913 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 = 22 µF ist auf U = 9 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.

Schritt für Schritt

E = ½ · C · U²
E = 0,5 · 22 · 10⁻⁶ F · (9 V)²
E = 0,891 mJ

E = ½ · C · U²
E = 0,5 · 22 · 10⁻⁶ F · (9 V)²
E = 0,891 mJ

Ergebnis:

0,891 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 = 6 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 · (6 V)²
3. E = 0,396 mJ
Ergebnis:
0,396 mJ
●17
Ein Kondensator mit C = 47 µF ist auf U = 5 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
Lösung zeigen
1. E = ½ · C · U²
2. E = 0,5 · 47 · 10⁻⁶ F · (5 V)²
3. E = 0,588 mJ
Ergebnis:
0,588 mJ
★18
Ein Defibrillator speichert E = 375 J in einem Kondensator mit C = 120 µF. Auf welche Spannung ist er geladen? Berechne U in kV.
Lösung zeigen
1. U = √2 · E : C
2. U = √2 · 375 J : (120 · 10⁻⁶ F)
3. U = 2500 V = 2,5 kV
Ergebnis:
2,5 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 = 25 nC und Q₂ = 20 nC haben den Abstand r = 6 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
r = 0,06 m, Q₁ = 25 nC, Q₂ = 20 nC
F = 1,25 · 10⁻³ N = 1,25 mN

F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
r = 0,06 m, Q₁ = 25 nC, Q₂ = 20 nC
F = 1,25 · 10⁻³ N = 1,25 mN

Ergebnis:

1,25 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 = 100 nC und Q₂ = 50 nC haben den Abstand r = 2 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 = 0,02 m, Q₁ = 100 nC, Q₂ = 50 nC
3. F = 1,12 · 10⁻¹ N = 112 mN
Ergebnis:
112 mN
●20
Zwei Punktladungen Q₁ = 50 nC und Q₂ = 5 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 = 50 nC, Q₂ = 5 nC
3. F = 6,24 · 10⁻⁴ N = 0,624 mN
Ergebnis:
0,624 mN
★21
Zwei Punktladungen ziehen sich mit F = 12 mN an. Der Abstand wird halbiert, die Ladung Q₁ verdoppelt. Berechne die neue Kraft.
Lösung zeigen
1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
2. Q₁: mal 2, Abstand: geteilt durch 0,5² = 0,25
3. F = 12 mN · 2 : 0,25 = 96 mN
Ergebnis:
96 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 = 300 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 = 300 V − (50 V)
U_AB = 250 V

U_AB = φ_A − φ_B
U_AB = 300 V − (50 V)
U_AB = 250 V

Ergebnis:

250 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 = 200 V, Punkt B hat φ_B = −100 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 = 200 V − (−100 V)
3. U_AB = 300 V
Ergebnis:
300 V
●23
Punkt A hat das Potenzial φ_A = 250 V, Punkt B hat φ_B = 20 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.
Lösung zeigen
1. U_AB = φ_A − φ_B
2. U_AB = 250 V − (20 V)
3. U_AB = 230 V
Ergebnis:
230 V
★24
Ein Elektron fliegt von A (φ_A = −200 V) über C (φ_C = 900 V) nach B (φ_B = 200 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 = 200 V − (−200 V)
3. W = e · 400 V = 400 eV
Ergebnis:
400 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 = 20 µF und C₂ = 30 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.

Schritt für Schritt

In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
1 : C = 1 : 20 + 1 : 30
C = 20 · 30 : (20 + 30) µF = 12 µF

In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
1 : C = 1 : 20 + 1 : 30
C = 20 · 30 : (20 + 30) µF = 12 µF

Ergebnis:

12 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 = 12 µF und C₂ = 24 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
So fängst du an:
In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
Lösung zeigen
1. In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
2. 1 : C = 1 : 12 + 1 : 24
3. C = 12 · 24 : (12 + 24) µF = 8 µF
Ergebnis:
8 µF
●26
Zwei Kondensatoren mit C₁ = 15 µF und C₂ = 10 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
Lösung zeigen
1. In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
2. 1 : C = 1 : 15 + 1 : 10
3. C = 15 · 10 : (15 + 10) µF = 6 µF
Ergebnis:
6 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 = 470 µF wird über R = 22 kΩ an U₀ = 20 V geladen. Berechne U_C nach t = 10,3 s, drei gültige Ziffern.

Schritt für Schritt

U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
τ = R · C = 10.340 ms, t : τ = 0,996
U = 12,6 V

U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
τ = R · C = 10.340 ms, t : τ = 0,996
U = 12,6 V

Ergebnis:

12,6 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 = 22 µF wird über R = 47 kΩ an U₀ = 12 V geladen. Berechne U_C nach t = 1,03 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 = 0,996
3. U = 7,57 V
Ergebnis:
7,57 V
●29
Ein Kondensator mit C = 10 µF wird über R = 22 kΩ an U₀ = 6 V geladen. Berechne U_C nach t = 110 ms, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
1. U = U₀ · (1 − e^(−t : τ))
2. τ = R · C = 220 ms, t : τ = 0,5
3. U = 2,36 V
Ergebnis:
2,36 V
★30
Ein Kondensator mit C = 47 µF wird über R = 22 kΩ geladen. Nach welcher Zeit hat er 50 % der Endspannung erreicht? Berechne t.
Lösung zeigen
1. U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)), also t = −τ · ln(1 − U : U₀)
2. τ = 1034 ms, 1 − 0,5 = 0,5
3. t = 1034 ms · 0,693 = 717 ms
Ergebnis:
717 ms

Vermischte Übungen

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

Üben

●31
Auf eine Probeladung mit Q = 20 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 : 20 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
3. Zahlenwerte: 400 : 20 = 20
4. E = 20 kN/C
Ergebnis:
20 kN/C
●32
Ein Proton ruht im homogenen Feld E = 20 kV/m eines Plattenkondensators. Was zeigen die Feldlinien an der Stelle des Protons?
Lösung zeigen
1. Eine Feldlinie verbindet die Kraftrichtungen auf eine positive Probeladung.
2. Das Proton ist positiv: Die Kraft zeigt in Richtung der Feldlinie.
3. Also: die Richtung der Kraft auf das Proton
Ergebnis:
die Richtung der Kraft auf das Proton
●33
Eine Ladung von 5 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: 5 · 100 = 500
4. W = 500 µJ
Ergebnis:
500 µJ
●34
Durch einen Draht fließt 120 s lang der Strom I = 250 mA. Berechne die Ladung, die hindurchfließt, in C.
Lösung zeigen
1. Q = I · t
2. I = 0,25 A, t = 120 s
3. Q = 0,25 A · 120 s = 30 C
Ergebnis:
30 C
●35
Ein Kondensator trägt bei U = 12 V die Ladung Q = 120 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
1. C = Q : U
2. µC durch V ergibt µF.
3. Zahlenwerte: 120 : 12 = 10
4. C = 10 µF
Ergebnis:
10 µF
●36
Ein Kondensator mit C = 47 µF liegt an der Spannung U = 6 V. Welche Ladung sitzt auf der Plusplatte? Berechne Q.
Lösung zeigen
1. Q = C · U
2. µF mal V ergibt µC.
3. Zahlenwerte: 47 · 6 = 282
4. +282 µC und −282 µC
Ergebnis:
282 µC

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 = 25 nC wirkt im Feld die Kraft F = 2000 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
Lösung zeigen
Ergebnis:
80 kN/C
Ich kann Spannung als Arbeit je Ladung und Stromstärke als Ladung je Zeit berechnen.
38
Eine Ladung von 20 µC durchläuft die Spannung U = 12 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
Lösung zeigen
Ergebnis:
240 µJ
Ich kann Kapazität, Ladung und Spannung am Kondensator berechnen.
39
Ein Kondensator trägt bei U = 15 V die Ladung Q = 3300 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
Lösung zeigen
Ergebnis:
220 µF
Ich kann die Feldstärke im Plattenkondensator und seine Kapazität aus Fläche, Abstand und Dielektrikum bestimmen.
40
Zwei Platten im Abstand d = 50 mm liegen an U = 400 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
Lösung zeigen
Ergebnis:
8 kV/m
Ich kann den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Auf- und Entladen mit der Zeitkonstante beschreiben.
41
Ein Kondensator mit C = 22 µF entlädt sich über R = 22 kΩ mit I₀ = 10 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 1,45 s, drei gültige Ziffern.
Lösung zeigen
Ergebnis:
0,5 mA
Ich kann die Energie eines geladenen Kondensators mit E = ½ · C · U² berechnen.
42
Ein Kondensator mit C = 100 µF ist auf U = 10 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
Lösung zeigen
Ergebnis:
5 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

20 kN/C
80 kN/C
10 nC
5000 µJ
2500 µJ
150 V
22 µF
220 µF
10 µF
4 kV/m
200 kV/m
12 kV
0,607 mA
0,249 mA
0,913 mA
0,396 mJ
0,588 mJ
2,5 kV
112 mN
0,624 mN
96 mN
300 V
230 V
400 eV
8 µF
6 µF
4 µF
7,57 V
2,36 V
717 ms
20 kN/C
die Richtung der Kraft auf das Proton
500 µJ
30 C
10 µF
282 µC
80 kN/C
240 µJ
220 µF
8 kV/m
0,5 mA
5 mJ
0,499 mN