Zwei kreisförmige Metallplatten mit dem Radius 30 cm, die parallel im Abstand von 10 cm angeordnet sind, bilden einen Plattenkondensator. In der Mitte zwischen den Platten hängt an einem dünnen isolierten Faden von 1,2 m Länge eine kleine, geladene Metallkugel. Die Kugel hat eine Masse von 0,25 g.a) Berechnen Sie die Kapazität des Kondensators.
An den Kondensator wird nun eine Spannung von 2,0 kV angelegt, recht Plus und links Minus.
Die Kugel lenkt es darauf hin horizontal um
aus. Influenzeffekte sollen nicht berücksichtigt werden und das Feld im Kondensator kann als homogen betrachtet werden.
b) Ermitteln Sie den Auslenkwinkel Alpha und berechnen Sie mithilfe der Gewichtskraft die elektrische Kraft FE auf die Metallkugel.
(zur Kontrolle:
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c) Wie groß ist die Feldstärke des homogenen elektrischen Feldes zwischen den Kondensatorplatten? Welche Ladung trägt die Metallkugel?
d) Begründen Sie, wie sich die Auslenkung der Kugel ändert, wenn bei konstanter Spannung der ursprüngliche Plattenabstand vergrößert wird.
e) Nun wird der Faden durchgetrennt. Beschreiben Sie qualitativ die Bewegung der Metallkugel innerhalb des Kondensators und begründen Sie ihre Antwort.
Die geladene Metallkugel wird anschließend wieder an den Faden gehängt, doch anstelle der Gleichspannung wird jetzt eine Wechselspannung an die Kondensatorplatten angelegt.
f) Welche Beobachtungen sind jeweils zu erwarten, wenn die angelegte Wechselspannung beginnend bei sehr niedrigen Frequenzen über die Eigenfrequenz des Pendels bis hin zu sehr hohen Frequenzen variiert wird?
Begründen Sie Ihre Antwort ausführlich.
