Coulomb-Gesetz

nach Leistungskursabitur Bayern 2006 - 5 - 1

Mit dem abgebildeten Versuchsaufbau soll die Gültigkeit des Coulomb-Gesetzes im Schulversuch bestätigt werden.
Eine an einem Isolierstab angebrachte massive Aluminiumkugel K₁ (Durchmesser d = 38 mm) befindet sich zunächst in großer Entfernung von einer identischen Kugel K₂, die über einen Isolierstab an einem Kraftsensor S befestigt ist. Die beiden anfangs elektrisch neutralen Kugeln werden nun mit Hilfe einer Hochspannungsquelle (U = 16 kV) gleich stark positiv aufgeladen (Minuspol der Hochspannungsquelle geerdet). Bei Annäherung von K₁ an K₂ wird die auf K₂ wirkende Kraft F in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand r gemessen. Die Messergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

r in cm

4,0

5,0

6,0

8,0

10

15

20

25

F in mN

3,4

2,8

2,2

1,3

0,85

0,41

0,20

0,11

Tragen Sie die Messwerte in ein -F-Diagramm ein. Begründen Sie, dass man mit dieser Darstellung leicht prüfen kann, ob sich die Kraft zwischen den Kugeln durch das Coulomb-Gesetz beschreiben lässt. (7 BE)

Bei kleinen Abständen ergeben sich kleinere Kräfte, als nach dem Coulomb-Gesetz zu erwarten sind. Geben Sie hierfür eine Erklärung an. (4 BE)

Welcher Wert ergibt sich aus der Auswertung der Messreihe für die Ladung Q einer Kugel? (5 BE)

Berechnen Sie unter Anwendung des Coulomb-Potentials die Ladung Q' einer Kugel, die sich aus der beim Ladevorgang angelegten Spannung von 16 kV rechnerisch ergeben müsste. Hierbei ist von idealen Bedingungen auszugehen, d. h. der Kugelradius ist deutlich kleiner als alle auftretenden Abstände. [zur Kontrolle: Q' = 34 nAs ] (5 BE)