Blatt zu Übung 10
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<strong>Übung</strong> <strong>10</strong> <strong>zu</strong>r Elektrodynamik, SoSe-2013<br />
Christof Gattringer, Andreas Windisch, Pascal Törek<br />
Aufgabe <strong>10</strong>.1<br />
Wir diskutieren nun ein sehr einfaches Modell für die Polarisierung eines Dielektrikums<br />
(siehe Skizze). In den Ursprung des Koordinatensystems setzen<br />
wir einen Atomkern mit Gesamtladung Q. Diese Ladung ist umgeben von einer<br />
homogen geladenen Kugel mit Radius a deren Gesamtladung durch −Q<br />
gegeben ist (”Elektronenwolke”). Ein externes elektrisches Feld ⃗ E = −E⃗e x<br />
verschiebe jetzt die Elektronenwolke um eine Wegstrecke d, wobei wir eine<br />
allfällige Deformation der Elektronenwolke vernachlässigen.<br />
Q<br />
d<br />
a<br />
−Q<br />
E<br />
• Stellen Sie die Kräfte auf die Elektronenwolke auf, die Kraft durch das<br />
externe Feld und die rücktreibende Kraft durch den Kern (Nachdenken!<br />
Der Kern ist im Inneren der negativ geladenen Kugel).<br />
• Aus dem Kräftegleichgewicht erhalten Sie den Abstand d um den die<br />
Elektronenwolke verschoben wird.<br />
• Berechnen Sie jetzt noch das resultierende Dipolmoment ⃗p, die Dipolmomentdichte<br />
⃗ P = ⃗p/V Kugel und die elektrische Suszeptibilität χ e , die<br />
durch ⃗ P = χ e<br />
⃗ E definiert ist.<br />
Aufgabe <strong>10</strong>.2<br />
Gegeben sei eine Kugel mit konstanter Polarisation ⃗ P = P⃗e z und Radius R.<br />
Berechnen Sie das elektrische Feld im Außenraum. Verwenden Sie da<strong>zu</strong> den<br />
1
Zusammenhang zwischen ⃗ P und der Flächenladungsdichte σ an der Oberfläche.<br />
Wenn Sie die Oberflächenladungsdichte kennen, kann das elektrische<br />
Feld daraus berechnet <strong>zu</strong> werden. Es empfiehlt sich dabei die Methode <strong>zu</strong><br />
verwenden die wir für Probleme in Kugelkoordinaten mit azimutaler Symmetrie<br />
entwickelt haben.<br />
Aufgabe <strong>10</strong>.3<br />
In diesem Beispiel betrachten wir eine Metallkugel mit Radius R 1 die eine<br />
Ladung Q trägt. Die Kugel ist von einem homogenen isotropen Dielektrikum<br />
umgeben mit Dielektrizitätskonstante ɛ und elektrischer Suszeptibilität χ e .<br />
Das Dielektrikum bildet eine Kugelschale die sich von R 1 bis <strong>zu</strong> R 2 (> R 1 )<br />
erstreckt (siehe Skizze). Berechnen Sie die Felder ⃗ D(⃗r ) und ⃗ E(⃗r ), die Polarisationsdichte<br />
⃗ P (⃗r ) und die Oberflächenladungsdichten σ 1 und σ 2 an der<br />
inneren und äußeren Oberfläche des Dielektrikums.<br />
R<br />
ε<br />
1<br />
,<br />
χ e<br />
Q<br />
R 2<br />
• Was sind ⃗ D(⃗r ), ⃗ E(⃗r ) und ⃗ P (⃗r ) für |⃗r | < R 1 ?<br />
• Bestimmen Sie ⃗ D(⃗r ) für |⃗r | > R 1 indem Sie die inhomogene Gleichung<br />
für die Elektrostatik der Dielektrika durch Integration über das Volumen<br />
in das Gauß’sche Gesetz für Dielektrika umschreiben. Benützen<br />
Sie die Kugelsymmetrie des Problems und den Satz von Gauß um D(⃗r )<br />
für |⃗r | > R 1 <strong>zu</strong> bestimmen.<br />
• Bestimmen Sie nun aus ⃗ D(⃗r ) das Feld ⃗ E(⃗r ) (Fallunterscheidung R 1 <<br />
|⃗r | < R 2 und R 2 < |⃗r |).<br />
• Bestimmen Sie aus ⃗ E(⃗r ) nun noch die Polarisationsdichte ⃗ P (⃗r ), sowie<br />
σ 1 und σ 2 .<br />
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