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Physik · Klasse 12 · Kapitel

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Q1: Elektrisches Feld und Kondensator

  • Entdecken Frage, Vorstellung, Bild
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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 = 200 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
+−dQ = 4 nCF = 200 µNE = ?
Schritt für Schritt
  1. E = F : Q
  2. E = 200 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
  3. Zahlenwerte: 200 : 4 = 50
  4. E = 50 kN/C
  1. E = F : Q
  2. E = 200 µN : 4 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
  3. Zahlenwerte: 200 : 4 = 50
  4. E = 50 kN/C
Ergebnis:
50 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. ○1
    Auf eine Probeladung mit Q = 8 nC wirkt im Feld die Kraft F = 320 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
    +−dQ = 8 nCF = 320 µNE = ?
    So fängst du an:
    E = F : Q
    Lösung zeigen
    1. E = F : Q
    2. E = 320 µN : 8 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
    3. Zahlenwerte: 320 : 8 = 40
    4. E = 40 kN/C
    Ergebnis:
    40 kN/C
  2. ●2
    Auf eine Probeladung mit Q = 8 nC wirkt im Feld die Kraft F = 2400 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
    +−dQ = 8 nCF = 2400 µNE = ?
    Lösung zeigen
    1. E = F : Q
    2. E = 2400 µN : 8 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
    3. Zahlenwerte: 2400 : 8 = 300
    4. E = 300 kN/C
    Ergebnis:
    300 kN/C
  3. ★3
    Ein geladenes Staubkorn erfährt im Feld mit E = 400 kN/C die Kraft F = 200 µN. Berechne seine Ladung Q in nC.
    +−dE = 400 kN/CF = 200 µNQ = ?
    Lösung zeigen
    1. Q = F : E
    2. F = 200 · 10⁻⁶ N, E = 400 · 10³ N/C
    3. Q = 0,5 · 10⁻⁹ C = 0,5 nC
    Ergebnis:
    0,5 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 = 12 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
+−dQ = 25 µCU = 12 VW = ?
Schritt für Schritt
  1. W = Q · U
  2. µC mal V ergibt µJ.
  3. Zahlenwerte: 25 · 12 = 300
  4. W = 300 µJ
  1. W = Q · U
  2. µC mal V ergibt µJ.
  3. Zahlenwerte: 25 · 12 = 300
  4. W = 300 µJ
Ergebnis:
300 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

  1. ○4
    Eine Ladung von 20 µC durchläuft die Spannung U = 200 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
    +−dQ = 20 µCU = 200 VW = ?
    So fängst du an:
    W = Q · U
    Lösung zeigen
    1. W = Q · U
    2. µC mal V ergibt µJ.
    3. Zahlenwerte: 20 · 200 = 4000
    4. W = 4000 µJ
    Ergebnis:
    4000 µJ
  2. ●5
    Eine Ladung von 2 µC durchläuft die Spannung U = 230 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
    +−dQ = 2 µCU = 230 VW = ?
    Lösung zeigen
    1. W = Q · U
    2. µC mal V ergibt µJ.
    3. Zahlenwerte: 2 · 230 = 460
    4. W = 460 µJ
    Ergebnis:
    460 µJ
  3. ★6
    Das Feld verrichtet an der Ladung Q = 20 µC die Arbeit W = 20 mJ. Berechne die Spannung zwischen Start und Ziel.
    +−dQ = 20 µCW = 20 mJU = ?
    Lösung zeigen
    1. U = W : Q
    2. U = 20 · 10⁻³ J : (20 · 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 = 24 V die Ladung Q = 24 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
+−dU = 24 VQ = 24 µCC = ?
Schritt für Schritt
  1. C = Q : U
  2. µC durch V ergibt µF.
  3. Zahlenwerte: 24 : 24 = 1
  4. C = 1 µF
  1. C = Q : U
  2. µC durch V ergibt µF.
  3. Zahlenwerte: 24 : 24 = 1
  4. 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

  1. ○7
    Ein Kondensator trägt bei U = 6 V die Ladung Q = 2820 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
    +−dU = 6 VQ = 2820 µCC = ?
    So fängst du an:
    C = Q : U
    Lösung zeigen
    1. C = Q : U
    2. µC durch V ergibt µF.
    3. Zahlenwerte: 2820 : 6 = 470
    4. C = 470 µF
    Ergebnis:
    470 µF
  2. ●8
    Ein Kondensator trägt bei U = 5 V die Ladung Q = 2,35 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
    +−dU = 5 VQ = 2,35 µCC = ?
    Lösung zeigen
    1. C = Q : U
    2. µC durch V ergibt µF.
    3. Zahlenwerte: 2,35 : 5 = 0,47
    4. C = 0,47 µF
    Ergebnis:
    0,47 µF
  3. ★9
    Messreihe am Kondensator: Q = 243 µC bei 5 V, 469 µC bei 10 V und 701 µC bei 15 V. Bestimme C als Mittelwert der drei Quotienten.
    +−d243 µC bei 5 V469 µC bei 10 V701 µC bei 15 VC = ?
    Lösung zeigen
    1. C = Q : U für jede Messung
    2. C₁ = 48,6 µF, C₂ = 46,9 µF, C₃ = 46,7 µF
    3. Mittelwert: C = 47,4 µF
    Ergebnis:
    47,4 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 = 4 mm liegen an U = 500 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
+−dU = 500 Vd = 4 mmE = ?
Schritt für Schritt
  1. E = U : d
  2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
  3. Zahlenwerte: 500 : 4 = 125
  4. E = 125 kV/m
  1. E = U : d
  2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
  3. Zahlenwerte: 500 : 4 = 125
  4. E = 125 kV/m
Ergebnis:
125 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

  1. ○10
    Zwei Platten im Abstand d = 4 mm liegen an U = 2000 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
    +−dU = 2000 Vd = 4 mmE = ?
    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: 2000 : 4 = 500
    4. E = 500 kV/m
    Ergebnis:
    500 kV/m
  2. ●11
    Zwei Platten im Abstand d = 10 mm liegen an U = 500 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
    +−dU = 500 Vd = 10 mmE = ?
    Lösung zeigen
    1. E = U : d
    2. 1 V je mm sind 1000 V je m, also 1 kV/m.
    3. Zahlenwerte: 500 : 10 = 50
    4. E = 50 kV/m
    Ergebnis:
    50 kV/m
  3. ★12
    Trockene Luft schlägt bei etwa 3 kV je Millimeter durch. Welche Spannung hält ein Luftspalt von d = 5 mm höchstens aus? Berechne U.
    +−dE höchstens 3 kV/mmd = 5 mmU = ?
    Lösung zeigen
    1. U = E · d
    2. E = 3 kV/mm, d = 5 mm
    3. Zahlenwerte: 3 · 5 = 15
    4. U = 15 kV
    Ergebnis:
    15 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 = 470 µF entlädt sich über R = 22 kΩ mit I₀ = 50 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 5,17 s, drei gültige Ziffern.
τtIC = 470 µFR = 22 kΩI₀ = 50 mAt = 5,17 sI = ?
Schritt für Schritt
  1. τ = R · C
  2. τ = 22 kΩ · 470 µF = 10.340 ms
  3. I = 50 mA · e^(−0,5) = 30,3 mA
  1. τ = R · C
  2. τ = 22 kΩ · 470 µF = 10.340 ms
  3. I = 50 mA · e^(−0,5) = 30,3 mA
Ergebnis:
30,3 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

  1. ○13
    Ein Kondensator mit C = 47 µF entlädt sich über R = 47 kΩ mit I₀ = 10 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 1,1 s, drei gültige Ziffern.
    τtIC = 47 µFR = 47 kΩI₀ = 10 mAt = 1,1 sI = ?
    So fängst du an:
    τ = R · C
    Lösung zeigen
    1. τ = R · C
    2. τ = 47 kΩ · 47 µF = 2209 ms
    3. I = 10 mA · e^(−0,498) = 6,08 mA
    Ergebnis:
    6,08 mA
  2. ●14
    Ein Kondensator mit C = 470 µF entlädt sich über R = 100 kΩ mit I₀ = 50 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 47 s, drei gültige Ziffern.
    τtIC = 470 µFR = 100 kΩI₀ = 50 mAt = 47 sI = ?
    Lösung zeigen
    1. τ = R · C
    2. τ = 100 kΩ · 470 µF = 47.000 ms
    3. I = 50 mA · e^(−1) = 18,4 mA
    Ergebnis:
    18,4 mA
  3. ★15
    Ein Kondensator (C = 220 µF) wird über R = 22 kΩ an U₀ = 24 V geladen. Berechne den Ladestrom nach t = 7,26 s, drei gültige Ziffern.
    τtIC = 220 µFR = 22 kΩU₀ = 24 Vt = 7,26 sI = ?
    Lösung zeigen
    1. I₀ = U₀ : R
    2. I₀ = 24 V : 22 kΩ = 1,09 mA, τ = R · C = 4840 ms
    3. I = 1,09 mA · e^(−1,5) = 0,243 mA
    Ergebnis:
    0,243 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 = 100 µF ist auf U = 20 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
+−dC = 100 µFU = 20 VE = ?
Schritt für Schritt
  1. E = ½ · C · U²
  2. E = 0,5 · 100 · 10⁻⁶ F · (20 V)²
  3. E = 20 mJ
  1. E = ½ · C · U²
  2. E = 0,5 · 100 · 10⁻⁶ F · (20 V)²
  3. E = 20 mJ
Ergebnis:
20 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

  1. ○16
    Ein Kondensator mit C = 1000 µF ist auf U = 15 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
    +−dC = 1000 µFU = 15 VE = ?
    So fängst du an:
    E = ½ · C · U²
    Lösung zeigen
    1. E = ½ · C · U²
    2. E = 0,5 · 1000 · 10⁻⁶ F · (15 V)²
    3. E = 113 mJ
    Ergebnis:
    113 mJ
  2. ●17
    Ein Kondensator mit C = 47 µF ist auf U = 30 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
    +−dC = 47 µFU = 30 VE = ?
    Lösung zeigen
    1. E = ½ · C · U²
    2. E = 0,5 · 47 · 10⁻⁶ F · (30 V)²
    3. E = 21,1 mJ
    Ergebnis:
    21,1 mJ
  3. ★18
    Ein Defibrillator speichert E = 450 J in einem Kondensator mit C = 100 µF. Auf welche Spannung ist er geladen? Berechne U in kV.
    +−dE = 450 JC = 100 µFU = ?
    Lösung zeigen
    1. U = √2 · E : C
    2. U = √2 · 450 J : (100 · 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 = 50 nC und Q₂ = 80 nC haben den Abstand r = 5 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
++Q₁Q₂Q₁ = 50 nCQ₂ = 80 nCr = 5 cmF = ?
Schritt für Schritt
  1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
  2. r = 0,05 m, Q₁ = 50 nC, Q₂ = 80 nC
  3. F = 1,44 · 10⁻² N = 14,4 mN
  1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
  2. r = 0,05 m, Q₁ = 50 nC, Q₂ = 80 nC
  3. F = 1,44 · 10⁻² N = 14,4 mN
Ergebnis:
14,4 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

  1. ○19
    Zwei Punktladungen Q₁ = 80 nC und Q₂ = 20 nC haben den Abstand r = 4 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
    ++Q₁Q₂Q₁ = 80 nCQ₂ = 20 nCr = 4 cmF = ?
    So fängst du an:
    F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
    Lösung zeigen
    1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
    2. r = 0,04 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 20 nC
    3. F = 8,99 · 10⁻³ N = 8,99 mN
    Ergebnis:
    8,99 mN
  2. ●20
    Zwei Punktladungen Q₁ = 80 nC und Q₂ = 40 nC haben den Abstand r = 3 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
    ++Q₁Q₂Q₁ = 80 nCQ₂ = 40 nCr = 3 cmF = ?
    Lösung zeigen
    1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
    2. r = 0,03 m, Q₁ = 80 nC, Q₂ = 40 nC
    3. F = 3,2 · 10⁻² N = 32 mN
    Ergebnis:
    32 mN
  3. ★21
    Zwei Punktladungen ziehen sich mit F = 18 mN an. Der Abstand wird verdoppelt, die Ladung Q₁ verdreifacht. Berechne die neue Kraft.
    +−Q₁Q₂F = 18 mNr verdoppeltQ₁ verdreifachtF neu = ?
    Lösung zeigen
    1. F = Q₁ · Q₂ : (4π · ε₀ · r²)
    2. Q₁: mal 3, Abstand: geteilt durch 2² = 4
    3. F = 18 mN · 3 : 4 = 13,5 mN
    Ergebnis:
    13,5 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 = −200 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.
+−dφ_A = 150 Vφ_B = −200 VU_AB = ?
Schritt für Schritt
  1. U_AB = φ_A − φ_B
  2. U_AB = 150 V − (−200 V)
  3. U_AB = 350 V
  1. U_AB = φ_A − φ_B
  2. U_AB = 150 V − (−200 V)
  3. U_AB = 350 V
Ergebnis:
350 V

AchtungZwischenergebnis als Antwort

So nicht
Gesamtwiderstand gesucht, Antwort: I = 0,5 A
So richtig
erst I = 0,5 A, dann weiter bis zur gesuchten Größe

Lies die Frage noch einmal. Rechne weiter bis zur gesuchten Größe.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    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.
    +−dφ_A = 300 Vφ_B = 80 VU_AB = ?
    So fängst du an:
    U_AB = φ_A − φ_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
  2. ●23
    Punkt A hat das Potenzial φ_A = 500 V, Punkt B hat φ_B = 50 V. Berechne die Spannung U_AB zwischen A und B.
    +−dφ_A = 500 Vφ_B = 50 VU_AB = ?
    Lösung zeigen
    1. U_AB = φ_A − φ_B
    2. U_AB = 500 V − (50 V)
    3. U_AB = 450 V
    Ergebnis:
    450 V
  3. ★24
    Ein Elektron fliegt von A (φ_A = −250 V) über C (φ_C = 800 V) nach B (φ_B = 300 V). Welche Energie gewinnt es? Berechne in eV.
    +−dφ_A = −250 Vφ_C = 800 Vφ_B = 300 VW = ?
    Lösung zeigen
    1. W = e · (φ_B − φ_A), der Weg dazwischen zählt nicht
    2. φ_B − φ_A = 300 V − (−250 V)
    3. W = e · 550 V = 550 eV
    Ergebnis:
    550 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 = 30 µF und C₂ = 15 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
U₀RCC₁ = 30 µFC₂ = 15 µFin ReiheC = ?
Schritt für Schritt
  1. In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
  2. 1 : C = 1 : 30 + 1 : 15
  3. C = 30 · 15 : (30 + 15) µF = 10 µF
  1. In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
  2. 1 : C = 1 : 30 + 1 : 15
  3. C = 30 · 15 : (30 + 15) µF = 10 µF
Ergebnis:
10 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

  1. ○25
    Zwei Kondensatoren mit C₁ = 6 µF und C₂ = 6 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
    U₀RCC₁ = 6 µFC₂ = 6 µFin ReiheC = ?
    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 : 6 + 1 : 6
    3. C = 6 · 6 : (6 + 6) µF = 3 µF
    Ergebnis:
    3 µF
  2. ●26
    Zwei Kondensatoren mit C₁ = 40 µF und C₂ = 10 µF sind in Reihe geschaltet. Berechne die Gesamtkapazität.
    U₀RCC₁ = 40 µFC₂ = 10 µFin ReiheC = ?
    Lösung zeigen
    1. In Reihe: 1 : C = 1 : C₁ + 1 : C₂
    2. 1 : C = 1 : 40 + 1 : 10
    3. C = 40 · 10 : (40 + 10) µF = 8 µF
    Ergebnis:
    8 µF
  3. ★27
    C₁ = 1 µF und C₂ = 3 µF sind parallel geschaltet, dazu liegt C₃ = 12 µF in Reihe. Berechne die Gesamtkapazität.
    U₀RCC₁ = 1 µF, C₂ = 3 µF parallelC₃ = 12 µF in ReiheC = ?
    Lösung zeigen
    1. Parallel: C₁₂ = C₁ + C₂
    2. C₁₂ = 1 µF + 3 µF = 4 µF
    3. In Reihe: 1 : C = 1 : 4 + 1 : 12, also C = 3 µF
    Ergebnis:
    3 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 = 22 µF wird über R = 100 kΩ von U₀ = 6 V aus entladen. Berechne U_C nach t = 2,2 s, drei gültige Ziffern.
τtUC = 22 µFR = 100 kΩU₀ = 6 Vt = 2,2 sU = ?
Schritt für Schritt
  1. U = U₀ · e^(−t : τ)
  2. τ = R · C = 2200 ms, t : τ = 1
  3. U = 2,21 V
  1. U = U₀ · e^(−t : τ)
  2. τ = R · C = 2200 ms, t : τ = 1
  3. U = 2,21 V
Ergebnis:
2,21 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

  1. ○28
    Ein Kondensator mit C = 47 µF wird über R = 100 kΩ von U₀ = 10 V aus entladen. Berechne U_C nach t = 7,05 s, drei gültige Ziffern.
    τtUC = 47 µFR = 100 kΩU₀ = 10 Vt = 7,05 sU = ?
    So fängst du an:
    U = U₀ · e^(−t : τ)
    Lösung zeigen
    1. U = U₀ · e^(−t : τ)
    2. τ = R · C = 4700 ms, t : τ = 1,5
    3. U = 2,23 V
    Ergebnis:
    2,23 V
  2. ●29
    Ein Kondensator mit C = 470 µF wird über R = 47 kΩ von U₀ = 20 V aus entladen. Berechne U_C nach t = 33,1 s, drei gültige Ziffern.
    τtUC = 470 µFR = 47 kΩU₀ = 20 Vt = 33,1 sU = ?
    Lösung zeigen
    1. U = U₀ · e^(−t : τ)
    2. τ = R · C = 22.090 ms, t : τ = 1,5
    3. U = 4,47 V
    Ergebnis:
    4,47 V
  3. ★30
    Ein Kondensator mit C = 22 µF wird über R = 2,2 kΩ geladen. Nach welcher Zeit hat er 95 % der Endspannung erreicht? Berechne t.
    τtUC = 22 µFR = 2,2 kΩU = 95 % von U₀t = ?
    Lösung zeigen
    1. U = U₀ · (1 − e^(−t : τ)), also t = −τ · ln(1 − U : U₀)
    2. τ = 48,4 ms, 1 − 0,95 = 0,05
    3. t = 48,4 ms · 3 = 145 ms
    Ergebnis:
    145 ms

Vermischte Übungen

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

Üben

  1. ●31
    Auf eine Probeladung mit Q = 10 nC wirkt im Feld die Kraft F = 800 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
    +−dQ = 10 nCF = 800 µNE = ?
    Lösung zeigen
    1. E = F : Q
    2. E = 800 µN : 10 nC, mit µN : nC = 10³ N/C
    3. Zahlenwerte: 800 : 10 = 80
    4. E = 80 kN/C
    Ergebnis:
    80 kN/C
  2. ●32
    Ein Proton ruht im homogenen Feld E = 4 kV/m eines Plattenkondensators. Was zeigen die Feldlinien an der Stelle des Protons?
    +−dProton ruhtFeldlinien zeigen?
    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
  3. ●33
    Eine Ladung von 10 µC durchläuft die Spannung U = 200 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
    +−dQ = 10 µCU = 200 VW = ?
    Lösung zeigen
    1. W = Q · U
    2. µC mal V ergibt µJ.
    3. Zahlenwerte: 10 · 200 = 2000
    4. W = 2000 µJ
    Ergebnis:
    2000 µJ
  4. ●34
    Durch einen Draht fließt 120 s lang der Strom I = 20 mA. Berechne die Ladung, die hindurchfließt, in C.
    U₀RCI = 20 mAt = 120 sQ = ?
    Lösung zeigen
    1. Q = I · t
    2. I = 0,02 A, t = 120 s
    3. Q = 0,02 A · 120 s = 2,4 C
    Ergebnis:
    2,4 C
  5. ●35
    Ein Kondensator trägt bei U = 24 V die Ladung Q = 52,8 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
    +−dU = 24 VQ = 52,8 µCC = ?
    Lösung zeigen
    1. C = Q : U
    2. µC durch V ergibt µF.
    3. Zahlenwerte: 52,8 : 24 = 2,2
    4. C = 2,2 µF
    Ergebnis:
    2,2 µF
  6. ●36
    Ein Kondensator mit C = 220 µF liegt an der Spannung U = 15 V. Welche Ladung sitzt auf der Plusplatte? Berechne Q.
    +−dC = 220 µFU = 15 VQ = ?
    Lösung zeigen
    1. Q = C · U
    2. µF mal V ergibt µC.
    3. Zahlenwerte: 220 · 15 = 3300
    4. +3300 µC und −3300 µC
    Ergebnis:
    3300 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

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

    37
    Auf eine Probeladung mit Q = 10 nC wirkt im Feld die Kraft F = 3000 µN. Berechne die Feldstärke E in kN/C.
    +−dQ = 10 nCF = 3000 µNE = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    300 kN/C

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

    38
    Eine Ladung von 20 µC durchläuft die Spannung U = 200 V. Welche Arbeit verrichtet das Feld an ihr? Berechne W in µJ.
    +−dQ = 20 µCU = 200 VW = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    4000 µJ

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

    39
    Ein Kondensator trägt bei U = 9 V die Ladung Q = 4,23 µC. Berechne seine Kapazität in µF.
    +−dU = 9 VQ = 4,23 µCC = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    0,47 µF

  4. 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 = 400 V. Berechne die Feldstärke zwischen den Platten in kV/m.
    +−dU = 400 Vd = 20 mmE = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    20 kV/m

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

    41
    Ein Kondensator mit C = 47 µF entlädt sich über R = 2,2 kΩ mit I₀ = 50 mA zu Beginn. Berechne I nach t = 207 ms, drei gültige Ziffern.
    τtIC = 47 µFR = 2,2 kΩI₀ = 50 mAt = 207 msI = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    6,75 mA

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

    42
    Ein Kondensator mit C = 100 µF ist auf U = 12 V geladen. Berechne die Energie im Feld in mJ.
    +−dC = 100 µFU = 12 VE = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    7,2 mJ

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

    43
    Zwei Punktladungen Q₁ = 25 nC und Q₂ = 100 nC haben den Abstand r = 5 cm. Berechne die Coulombkraft in mN, drei gültige Ziffern.
    ++Q₁Q₂Q₁ = 25 nCQ₂ = 100 nCr = 5 cmF = ?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    8,99 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

  1. 40 kN/C
  2. 300 kN/C
  3. 0,5 nC
  4. 4000 µJ
  5. 460 µJ
  6. 1000 V
  7. 470 µF
  8. 0,47 µF
  9. 47,4 µF
  10. 500 kV/m
  11. 50 kV/m
  12. 15 kV
  13. 6,08 mA
  14. 18,4 mA
  15. 0,243 mA
  16. 113 mJ
  17. 21,1 mJ
  18. 3 kV
  19. 8,99 mN
  20. 32 mN
  21. 13,5 mN
  22. 220 V
  23. 450 V
  24. 550 eV
  25. 3 µF
  26. 8 µF
  27. 3 µF
  28. 2,23 V
  29. 4,47 V
  30. 145 ms
  31. 80 kN/C
  32. die Richtung der Kraft auf das Proton
  33. 2000 µJ
  34. 2,4 C
  35. 2,2 µF
  36. 3300 µC
  37. 300 kN/C
  38. 4000 µJ
  39. 0,47 µF
  40. 20 kV/m
  41. 6,75 mA
  42. 7,2 mJ
  43. 8,99 mN