Arbeit im E-Feld

Fragen zu Elektronik und Elektro allgemein.Fragen zu Bauteilen wie z.B. Tansistoren, Dioden, Kondensatoren usw.

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Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Samstag 22. August 2009, 19:14

Hallo zusammen

Nochmals eine kleine Frage zum Thema E-Feld:
Setup: Geladener Plattenkondensator welcher ein homogenes E-Feld erzeugt
Wenn man z.B. eine positive Ladung an einem bestimmten Punkt ins E-Feld einbringt (die Ladung hat zu Beginn Geschwindigkeit 0), dann übt das E-Feld auf die Ladung eine Kraft aus und dadurch wird die Ladung in Richtung der negativen Platte beschleunigt. Das Gedankenexperiment wird gestoppt, wenn die Ladung eine bestimmte Distanz zurückgelegt aber die negative Platte noch nicht erreicht hat. Da Arbeit gleich Kraft mal Weg ist, wurde an der Ladung Arbeit verrichtet. Meine Frage ist nun: Wo kommt die Energie für diese Arbeit her? Der Kondensator ist ja immer noch gleich stark geladen bzw. es herrscht immer noch die gleiche Spannung zwischen den Platten (Annahme: keine Verluste), oder nicht?

Anderes Beispiel für die gleiche Frage: Ablenkung eines Elektrons (quer zum Feld) beim Durchlaufen eines E-Feldes (durch Plattenkondensator erzeugt).
Für die Ablenkung wird wiederum Arbeit verrichtet. Woher kommt die Energie dafür? Die Spannung am Plattenkondensator bleibt doch erhalten, wenn man Verluste vernachlässigt, oder?

Danke im voraus für Eure Antworten!
Karl Giger
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Samstag 22. August 2009, 19:49

Hallo Karl,

um eine positive Ladung einzubringen, müsstest du von der positiven Platte Elektronen abziehen und die würden automatisch zu einem Ladungsträgeraustausch auf der negativen Seite führen. Eine frei im Raum schwebende oder stehende Ladungsträgeransammlung in dem von dir angedeuteten Zustand gibt es nicht.

Das kannst du nachprüfen, wenn sich deine Frau bei trockener Luft die Haare kämmt, stehen dem Kater auf der Coutsch die Haare zu Berge, grins. So in etwa musst du dir das vorstellen.

Gruß Lothar
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon anders am Samstag 22. August 2009, 20:43

Wo kommt die Energie für diese Arbeit her?
Aus dem Feld.
Dazu brauchst du garnicht mal das homogene Feld zwischen den Platten.
Du hast die Arbeit vorher hineingesteckt, als du deine "positive Ladung" präpariert hast.

Dazu hast du ein Stückchen Oberfläche der (noch nicht negativen) Platte genommen, hast die Elektronen heruntergeschoben auf die (nunmehr) negative Platte, das geht noch ohne Arbeit, und dann hast du die nunmehr positive Oberfläche entgegen der Anziehungskraft von der negativen Platte getrennt und bei dieser Ladungstrennung Kraft * Weg hineingesteckt.

Ablenkung eines Elektrons (quer zum Feld) beim Durchlaufen eines E-Feldes (durch Plattenkondensator erzeugt).
Gleicher Grund. Ob die Elektronen sich ausserdem noch senkrecht zu den E-Feldlinien bewegen, interessiert nicht.
Sie laufen dann entsprechend einer Wurfparabel auf die positive Platte zu.
Die Bahngeschwindigkeit nimmt dabei zu, denn ihre kinetische Energie ist dabei die Summe aus der Energie beim Einschuss und der Energie, die sie bei der Beschleunigung in Richtung positiver Platte gewinnen.

Interessant wird es, wenn du die Elektronen (oder andere geladene Teilchen), durch ein Magnetfeld schiesst, dessen Kraftlinien senkrecht zur Bewegungsrichtung stehen.
Dann wirkt die Kraft sowohl quer zur Bewegungsrichtung als auch quer zu den Feldlinien.
Weil die Elektronen dem Magnetfeld aber keine Energie entnehmen können, bleibt ihre Bahngeschwindigkeit konstant.
Unterm Strich führt das dazu, dass nur die Bewegungsrichtung geändert wird, und die Elektronen sich in Vollkreisen regelrecht um die H-Feldlinien herumwickeln.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Samstag 22. August 2009, 21:09

Erstmals danke für die schnelle Antwort. Ich verstehe jedoch die Energiebilanz immer noch nicht ganz.

Angenommen ich habe für die Ladungstrennung die Energie E1 reingesteckt. Danach schiesse ich unzählige Elektronen (sagen wir x Elektronen) quer durchs Feld. Die kinetische Energie jedes Elektrons nimmt beim Ablenken (Beschleunigung in Richtung positive Platte) um einen bestimmten Betrag, sagen wir E2, zu.
Nun scheint mir, dass ich, wenn man Verluste vernachlässigt, beliebig viele Elektronen durchschiessen und ablenken kann, d.h. ich führe x mal die Energie E2 zu. Zu Beginn habe ich aber die fixe Energie E1 reingesteckt. Irgendwann (wenn ich genügend Elektronen durchschiesse: Anzahl x) würde aber in diesem Fall ja die rausgezogenen Energie (x mal E2) grösser als die zu Beginn investierte Energie E1 werden.
Wo liegt hier der Ueberlegungsfehler?
Offensichtlich muss ja einer vorliegen, da die Energiebilanz immer aufgehen muss. Leider sehe ich noch nicht wo.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon BernhardS am Sonntag 23. August 2009, 11:27

Hallo,

betrachte die Geschwindigkeit des Elektrons am Auftreffpunkt einmal direkt in Flugrichtung und einmal in der Richtung senkrecht zur Auftrefffläche.
Die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Auftrefffläche ist niedriger, errechnet sich mal Sinus des Winkels oder so ähnlich.
Die Fluggeschwindigkeit an sich und damit die Energie ändern sich durch die Änderung der Richtung natürlich nicht. Somit muss auch keine Energie irgendwo hergenommen werden.

Bernhard
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Sonntag 23. August 2009, 13:30

Das kann ich nicht nachvollziehen.
Die Fluggeschwindigkeit ändert sich sehr wohl zwischen dem Eintrittspunkt ins Feld und dem Austritt aus dem Feld. In der Flugrichtung bleibt sie konstant aber quer dazu in E-Feld-Richtung steigt sie von 0 zu Beginn auf z.B. v1 am Ende an. Somit wurde die Ladung beschleunigt und abgelenkt und dafür muss doch Arbeit investiert werden.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 23. August 2009, 16:16

Ich denke, dass du dir mit der Annahme des quer zu den Feldlinien fliegenden Elektrons das Leben unnötig schwer machst.
Praktisch gleichartige Krafteinflüsse und Wechselwirkungen mit einer Masse hast du ja, wenn du einen Stein entgegen der Schwerkraft aufhebst und ihn dann fallen lässt.
Dabei ist es auch unwichtig, ob du ihn vorher einige Meter in der Horizontalen geschleudert hast.
Bein Auftreffen auf dem Boden wird dann die Energiesumme aus der horizontalen kinetischen Energie und der aus dem Schwerefeld wieder zurückgewonnen potentiellen Energie in Wärme verwandelt.
Vielleicht macht es aber einen Unterschied, ob der Stein dir auf den Fuss fällt oder jemanden anders am Kopf trifft.

Du könntest dein Gedankenexperiment auch noch etwas weiter führen, indem du die Kondensatorplatten so krümmst, dass das Elektron die positive Platte nie erreichen kann.
Das führt dann zu einem koaxialen Aufbau, negatives Rohr und ein positiv geladener Draht in dessen Mitte.
Dort liegen dann völlig analoge Verhältisse vor wie bei einem Satelliten im Schwerefeld der Erde, der nach dem Start ja auch ständig hinter den Horizont fällt.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Sonntag 23. August 2009, 17:14

Das Rohr mit dem Draht, ist dann aber ein normaler koaxialer Kondensator. Wobei hier die Frage auftaucht, ob der Ladungsträgermangel wirklich weniger Platz braucht als die Elektronen ? Dann hätte so ein Kondensator wohl eine Vorzugspolarität beziehungsweise die Oberfläche des Drahtes bestimmt die Größe, so lange sie kleiner ist.

So richtig spannend wird das aus meiner Sicht mit einem "Quasi-Einpol" zu experimentieren um dann zu erkennen, dass das mit dem Kater auf dem Sofa gar nicht weit her geholt ist. Ich habe mir jetzt zum Spielen einige von den Gartenteich-Kugeln aus Edelstahl zugelegt. Die große mit 40cm D fehlt mir allerdings noch.

Mal in der Forensuche nach "Gewitterfass " suchen. Da sollten alte Beiträge zu dem Thema zu finden sein.

Schönen Sonntag

Lothar
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Sonntag 23. August 2009, 19:53

Hallo anders

Möglicherweise mache ich mir das Leben schwer, vielleicht aber eher Dir. ;)
Mir ist folgendes noch unklar:
Bei der Analogie mit dem Stein im Gravitationsfeld gehst Du davon aus, dass der Stein sich zu Beginn und zu Ende des Experimentes im Gravitationsfeld befindet. Wenn er von einem höheren Punkt auf einen tieferen Punkt runterfällt, verliert er an potentieller Energie und gewinnt an kinetischer Energie. Genauso verhält es sich, wenn ich Dich richtig verstehe, auch mit der Ladung im E-Feld des Plattenkondensators. Die Energie für die geleistete Arbeit entspricht also der verlorenen potentiellen Energie der Ladung und der Kondensator selbst behält dieselbe elektrische Energie bei, korrekt?
Der Unterschied für mich besteht nun darin, dass sich in meinem Gedankenexperiment die Ladung zuerst ausserhalb des E-Feldes befindet (Potential 0) und danach hineintritt (Potential >0). Wie sieht die Energiebilanz denn hier aus, für einen Zeitpunkt kurz vor dem Eintritt ins E-Feld und einem Zeitpunkt kurz nach dem Eintritt?
Des weiteren ist mir auch noch unklar, wie sich bei diesem Eintritt die Ladung/Spannung des Kondensators verhält.

Statt einem Stein auf den Fuss hätte ich lieber eine Antwort in meinen Kopf. ;-)
Karl
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Sonntag 23. August 2009, 20:55

Hallo Karl,

irgendwie kann ich dir nicht folgen. Im Normalfall kann ich die Ladungsmenge im Kondensator verändern, indem ich für eine Potentialdifferenz sorge. Ich füge zusätzliche Elektronen auf einer Seite hinzu und ziehe diese gleichzeitig von der anderen Seite ab.
Wenn ich zum Beispiel meine Kugeln auf Isolatoren setze und auflade, kann ich Ladungen auch von Hand portionsweise mit einer dritten kleineren Kugel am isolierten Stil von einer zur anderen transportieren. Deine Ladungsmenge könnte ein Impuls von definierter Amplitude und Dauer sein. Aber wie soll der vor der Platte halt machen und sozusagen schweben? Will jetzt nicht sagen realitätsfern, aber in etwa läuft es darauf hinaus.

Bisher habe ich mit einem verrundeten 70 ltr Alu-Bierfass experimentiert und dabei beobachtet, dass der gesamte Raum darum herum mit allen Gegenständen den Gegenpol, oder sozusagen die andere Platte des Kondensators bildet und dass bei einer Entladung des Fasses entsprechend an allen Gegenständen größere oder kleinere Umladungen meßbar werden. Nun will ich das mit mehreren Kugeln in unterschiedlicher Entfernung vermessen und dabei auch mal versuchen diese Umladungen an unterschiedlich großen Kugeln zu vermessen.
Vielleicht lässt sich deine Fragestellung da irgendwie einbauen. Nur dazu solltest du das etwas genauer definieren.
Wenn man bedenkt, dass ein ca. 1/4.tel qm großes geerdetes Blech in 5 m Entfernung vom Fass, das von 50 kV auf Null entladen wird, einen Umladungsstrom in der Erdung des Bleches von etwa 10 Ampere für ca. 50-100 Nanosekunden erzeugt, wird einem spätestens hier klar, dass mit Elektrostatik besonders auf Signalkabeln zu Schnittstellen-Ic´s böse Überraschungen möglich werden.

Verinnerliche das mal, um dich in deine wirkliche Fragestellung mit hinein zu denken. Vielleicht hilft es?

Gruß Lothar
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 23. August 2009, 23:34

Wenn man bedenkt, dass ein ca. 1/4.tel qm großes geerdetes Blech in 5 m Entfernung vom Fass, das von 50 kV auf Null entladen wird, einen Umladungsstrom in der Erdung des Bleches von etwa 10 Ampere für ca. 50-100 Nanosekunden erzeugt,....
Genau das hat mich davon abgehalten mal einen Stickstofflaser mit Blümlein-Generator aufzubauen.
Ein grosses Stück doppelt kaschiertes Basismaterial hatte ich mir vom Platinenmacher schon geholt.
Aber ich hatte dann doch etwas Angst meine sämtlichen mit Halbleitern bestückten Geräte ins Jenseits zu befördern... :mrgreen:
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Montag 24. August 2009, 07:15

Hallo erfinderlein und anders

Ich kann Euren Gedankengängen ehrlich gesagt nicht ganz folgen. Ich werde versuchen, meine Frage nochmals genau zu erläutern an einem konkreten Beispiel.
Nehmen wir an, Elektronen werden von einer Elektronenkanone generiert und horizontal nach vorne geschossen.
Danach durchqueren sie einen Plattenkondensator (Platten senkrecht zur horizontalen Flugrichtung: in der Mitte der Platten gibt es ein kleines Loch durch welches die Elektronen ein bzw. austreten können) und werden durch das E-Feld beschleunigt. Danach verlassen sie den ersten Plattenkondensator und fliegen weiter horizontal zu einem zweiten Plattenkondensator (Platten parallel zur horizontalen Flugrichtung). Dort treten sie in der Mitte zwischen den zwei Platten ein und werden zur positiven Platte hin abgelenkt ohne sie aber zu erreichen. Danach verlassen sie auch den zweiten Kondensator. Kurzum: Die Elektronen fliegen durch zwei elektrische Felder, berühren aber keine der Kondensatorplatten.
Meine Frage ist nun folgende:
Klar ist, dass man elektrische Energie für die Elektronenkanone benötigt. Wie sieht es aber mit der Energiebilanz bei den zwei Kondensatoren aus? Wenn man einmal von einem verlustfreien Betrieb ausgeht, scheint es mir, dass man die beiden Kondensatoren nur zu Beginn (d.h. bevor man anfängt Elektronen durchzuschiessen) auflädt und danach keine elektrische Energie mehr in sie investieren muss. D.h. nachdem man die Elektronen einmal in Richtung der zwei Kondensatoren losgeschossen hat, benötigt man keine Energie mehr, um sie zu beschleunigen und um sie abzulenken. Wie soll das möglich sein bzw. was verstehe ich hier falsch? Zudem: Die kinetische Energie, welche ich in die Elektronen investiert habe (Elektronenkanone), geht ja beim Durchfliegen der beiden E-Felder nicht verloren. Im Gegenteil: Die Elektronen werden in den beiden Kondensatoren noch beschleunigt, d.h. ihre kinetische Energie nimmt noch zu. Und, soweit ich das beurteilen kann, wird doch die Spannung (bei verlustfreiem Betrieb) bzw. die Ladung der Kondensatoren durch die durchgeschossenen Elektronen nicht verändert.
Ich hoffe, mein Problem ist nun etwas klarer geworden.

Danke für Eure Hilfe und Geduld!
Karl
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon BernhardS am Montag 24. August 2009, 17:12

Hallo

In der Flugrichtung bleibt sie konstant

Was ist denn die Flugrichtung, die Richtung vom Anfang oder die vom Ende des Fluges? Du meinst auf der Flugbahn bleibt sie konstant - dann kann ich Dir auch beipflichten.

Nochmal:
Eine Richtungsänderung bewirkt doch keine Änderung der kinetischen Energie. Gedankenexperiment: Ich rutsche auf dem Hintern über eine schöne glattpolierte Eisfläche. An einem Pfahl ist ein Seil festgebunden. Ich kann dieses Seil greifen und über die Zeit die ich festhalte meine Bahn ändern, sogar bis zur Richtungsumkehr.
Nur: langsamer werde ich dabei nicht.
Auf einem Wok können so ganze Völker an einem starken Magneten vorbeirutschen und die Richtung ändern ohne daß sonstwas passiert.

Bernhard

Nachtrag:
Im Gegenteil: Die Elektronen werden in den beiden Kondensatoren noch beschleunigt,

Moment mal, so geht das nicht. Das Elektron beschleunigt beim Heranfliegen an die Platte, wenn es nach dem Durchtritt die geladene Platte hinter sich hat wird es wieder gebremst.
Ein echtes Beschleunigen wäre nur möglich wenn sich die Platte mit angemessener Geschwindigkeit entgegen der Flugrichtung bewegen würde. Dann würde der Energiezuwachs des Elektrons aber durch Abbremsen der Platte gewonnen.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Montag 24. August 2009, 19:59

Sorry. Mit der Flugrichtung habe ich die anfängliche horizontale gemeint (nennen wir das die x-Achse).
Die Geschwindigkeit v_x ist zu Beginn und am Ende gleich gross. Aber die Geschwindigkeit v_y in senkrechter Richtung (nennen wir das die y-Achse) dazu steigt von 0 auf z.B. v_y an.
Dadurch steigt auch die kinetische Energie an, da die totale (vektorielle) Geschwindigkeit von v_x zu Beginn auf SQRT((v_x)^2+(v_y)^2) ansteigt.
Die Ladung fliegt eine Parabelbahn. Im vorgeschlagenen Gedankenexperiment bleibt die totale Geschwindikeit tatsächlich konstant, da keine Beschleunigung tangential zur Flugbahn stattfindet. Die Flugbahn ist in diesem Fall auch ein Kreis und keine Parabel.
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Re: Arbeit im E-Feld

Neuer Beitragvon kgiger am Samstag 29. August 2009, 11:35

Hallo zusammen
Im Anhang findet ihr ein Bild zu meiner Frage (im Sinne von: ein Bild besagt mehr als tausend Worte).
Meine Frage ist eigentlich sehr einfach:
Zu beginn wurde der Kondensator, der das E-Feld in y-Richtung erzeugt, aufgeladen und im E-Feld (blau) ist nun eine bestimmte Energie gespeichert (kommt von der Spannungsquelle). Nun trennt man den Kondensator von der Spannungsquelle.
Beginnt man nun Elektronen in das blaue E-Feld zu schiessen, werden diese wie gezeigt abgelenkt (rote Flugbahn), d.h. sie erfahren durch die Kraft des E-Feldes eine Beschleunigung in y-Richtung. Dazu wird eine bestimmte Energie benötigt, welche aus dem E-Feld kommen muss.
Nun zur Frage: Wie verhält sich die Ladung bzw. Spannung über dem Kondensator? Bei verlustfreiem Betrieb müsste eigentlich die Ladung auf den Platten konstant bleiben und somit auch das E-Feld. Dies würde aber bedeuten, dass ich den Kondensator, einmal aufgeladen, nicht mehr an die Spannungsquelle anschliessen muss und beliebig viele Elektronen ablenken kann (natürlich benötige ich Energie, um sie zu erzeugen und zu beschleunigen, aber nicht für das Ablenken). Und hier liegt mein Problem: Die Energiebilanz geht nicht auf.
Falls sich die Ladung bzw. Spannung über dem Kondensator doch ändert, wüsste ich gerne wieso und um wieviel sie sich ändert (Berechnung wäre hilfreich).

Danke & Gruss
Karl
Sie haben keine ausreichende Berechtigung, um die Dateianhänge dieses Beitrags anzusehen.
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