Aufgabe Vorschlag B2 - Aufgabe 3 · Abitur Hessen Physik GK 2022
Thema: Elektrisches Feld, Coulomb-Kraft und Kondensator · Aus der Prüfung GK (2022)
Aufgabenstellung
In einem Labor werden mit einem Hochspannungsgenerator Blitzentladungsphänomene demonstriert. Solche Entladungen werden im Labor zwischen einer negativ geladenen metallischen Spitze an der Decke und einer positiv geladenen Metallplatte am Boden erzeugt. In Material 2 ist der schematische Aufbau des Versuchs dargestellt.
Material 2: Spitze und Boden im Hochspannungslabor
3.1
Beschreiben Sie, in welchem Bereich die Feldstärke am größten ist, und skizzieren Sie die elektrischen Feldlinien in Material 2. [3 BE]
3.2
In einem weiteren Versuch wird die Schutzwirkung eines Faraday’schen Käfigs untersucht. Als Testobjekt wird ein Mobiltelefon verwendet, dessen Elektronik durch hohe Spannungen beschädigt wird. Das Mobiltelefon wird in einen kugelförmigen Metallkäfig gelegt, der isoliert unterhalb der Spitze platziert wird. Danach wird zwischen der Spitze und dem Boden eine Hochspannung angelegt. Das Mobiltelefon im Käfig bleibt unbeschädigt, sogar wenn es so platziert wird, dass es die Innenseite des Käfigs berührt.
Erläutern Sie die Schutzwirkung des Faraday’schen Käfigs und auch, dass das Handy die Innenseite des Käfigs unbeschädigt berühren kann. [4 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
3.1 Beschreiben Sie, in welchem Bereich die Feldstärke am größten ist
Lösung: Die elektrische Feldstärke ist am vorderen Ende der Spitze besonders groß.
3.1 Skizzieren Sie die elektrischen Feldlinien in Material 2.
Lösung: Die Feldlinien verlaufen von der positiv geladenen Bodenplatte zur negativ geladenen Spitze hin (Pfeile zeigen auf die Spitze). An der Spitze laufen die Feldlinien sehr dicht zusammen und stehen jeweils senkrecht auf den Metalloberflächen.
3.2 Erläutern Sie die Schutzwirkung des Faraday’schen Käfigs und auch, dass das Handy die Innenseite des Käfigs unbeschädigt berühren kann.
Lösung: Infolge der Kraftwirkung des elektrischen Felds auf die Ladungen des Metallkäfigs verschieben sich durch Influenz die Ladungen dort derart, dass am oberen Teil des Metallkäfigs ein Elektronenmangel und am unteren ein Elektronenüberschuss vorliegt. Diese Ladungsverteilung erzeugt wiederum ein elektrisches Feld im Inneren des Metallkäfigs, das dem äußeren Feld entgegenwirkt. Die beiden Feldstärken addieren sich so, dass das Innere des Käfigs annähernd feldfrei ist. Da sich die Ladungen nur auf der äußeren Oberfläche verschieben, trägt die Innenseite des Käfigs keine Ladung. Das Mobiltelefon ist daher den hohen Spannungen nicht ausgesetzt und bleibt unbeschädigt, selbst wenn es die Innenseite des Käfigs berührt.
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