Aufgaben zur Metallkugel im Kondensator

Benötigte Gleichungen:
Elektrische Kraft: F_e = q•E
Gewichtskraft: F_g = m•g mit g=9,81 m/s²
Elektrische Feldstärke und Spannung: U = E•d
2. Newtonsches Gesetz: F = m•a
Weg-Zeit-Gesetz der beschleunigten Bewegung: s = 1/2 a•t²

Aufgabe 1) Zum Aufwärmen ...
a) Welche Gewichtskraft hat eine Metallkugel mit der Masse von 1,2g?
b) Welche Feldstärke muss in einem Kondensator herrschen, damit eine Ladung von 2mC eine Kraft von 1cN erfährt?
Führen Sie eine gesonderte Einheitenrechnung durch!

Aufgabe 2) Elektrische Kraft contra Gewichtskraft Eine Kugel mit der Ladung 3μC und der Masse 2,4g befinde sich zwischen zwei waagerecht stehenden aufladbaren Kondensatorplatten mit einem Abstand von 6cm. a) Welche Gewichtskraft hat die Metallkugel? b) Welche Kraft muss auf die Kugel wirken, damit sie anfängt zu schweben? c) Welche Feldstärke besteht zwischen den Platten, wenn zum Aufladen eine Spannung von 200V angelegt wird? d) Welche Kraft wirkt dann auf die Kugel? Führen Sie eine Einheitenrechnung durch! e) Wie groß ist die gesamte Kraft auf die Kugel? Was zeigt die Waage an? f) Wie groß muss die Spannung sein, damit die Kugel anfängt zu schweben?

Aufgabe 3) elektrisches Pendel statisch Eine Kugel mit der Ladung 400μC und der Masse 2g befinde sich zwischen zwei senkrecht stehenden aufladbaren Kondensatorplatten mit einem Abstand von 5,5cm. a) Wie groß muss die Spannung sein, damit die Feldstärke zwischen den Platten 11V/m beträgt? b) Welche elektrische Kraft wirkt dann auf die Kugel? c) Zeichnen Sie ein Kräfteparallelogramm aus Gewichtskraft und elektrischer Kraft und konstruieren Sie die resultierende Kraft. Lesen Sie den Ablenkwinkel der Kugel ab. d) Überprüfen Sie die Werte aus c) durch Rechnung. Hinweis: Pythagoras und Tangens sind sehr nützlich ... e) Wie groß muss die Ladung der Kugel sein, damit ihr Ablenkwinkel 20° beträgt? Alle bisherigen Werte gelten ansonsten weiter.

Aufgabe 4) elektrisches Pendel dynamisch
Eine Kugel mit der Ladung 4μC und der Masse 2g befinde sich zwischen zwei senkrecht stehenden aufladbaren Kondensatorplatten mit einem Abstand von 5,5cm. Die angelegte Spannung betrage 350V.
a) Berechnen Sie die auf die Kugel wirkende Beschleunigung.
b) Wie lang benötigt die Kugel von einer Platte zur anderen?
c) Wie oft schlägt die Kugel innerhalb einer Sekunde an die rechte Platte?

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