Ph 12

Versuche

Coulombsches Kraftgesetz

Versuch mit Drehwaage:
Eine metallene Kugel ist mit einem Isolierstil am Torsionsfaden befestigt, dessen Drehwinkel mit einem daran befestigten Spiegel und einem Lichtzeiger kontrolliert wird. Dabei ist die rücktreibende Kraft auf Grund des hookeschen Gesetzes zum Drehwinkel direkt proportional. Die Kugel wird mittels Hochspannungsquelle (Influenzmaschine, Bandgenerator etc) geladen. Eine zweite geladene Kugel wird ihr genähert, wobei die Kraft auf die Kraft auf die Kugel in Abhängigkeit vom Mittelpunktsabstand (und eventuell auch in Abhängigkeit von der Kugelladung) untersucht wird.

 

Es gibt dabei zwei Möglichkeiten der Kraftmessung:

1. Man dreht jeweils der Torsionskopf oben soweit nach bis der Lichtzeiger wieder an der Ausgangsstelle steht. Dabei kann man die Mittelpunktsabstände r der Kugeln klar bestimmen. Die Kraft ist dann direkt proportional zum Drehwinkel des Torsionskopfs. Dieser Drehwinkel ist meist sehr gering und deshalb wenig zufriedenstellend genau zu bestimmen.
2. Man lässt die Kugel auswandern und misst die Abstände des Lichtzeigers von der Ausgangsstellung. Dabei ergeben sich wegen des Auswandern der drehbaren Kugel Ungenauigkeiten in der Abstandsbestimmung. Andrerseits ist dieser Versuch wesentlich zügiger als der mittels Verdrehen des Torsionskopfs durchzuführen und leidet deshalb nicht so unter dem Ladungsabfluss während der Versuchsreihe. Da die Lichtzeigerausschläge bei den vorkommenden kleinen Winkeln (< 5°) direkt proportional zum Winkel und damit zur Kraft sind bringt diese Messmethode im Schulversuch die besseren Ergebnisse.
Versuchsdurchführung und Ergebnisse:
Beim Versuch mit der Drehwaage nach der 2. Methode wurde der Abstand r zwischen den Kugeln bei gleichbleibender Ladung beider Kugeln variiert und der zugehörige Ausschlag des Lichtzeigers mittels Bleistiftstrich auf einem Papier an der Wand festgehalten (Siehe Skizze rechts).

Aufgabe:
Welche Proportionalität ergibt sich aus den obigen Versuchsergebnissen?

 

 

 

Versuch mit Kraftsensor:
Statt der Drehwaage, kann natürlich auch ein Kraftsensor verwendet werden, der praktisch nicht ausweicht. An diesem befestigt man eine metallene Kugel an einem Isolierstil und nähert eine zweite längs eines Maßstabs. (siehe nebenstehendes Bild)

Aufnahme des Versuchs mittels Computer:

Dabei wird die Kraft über eine vom Kraftsensor abgegebene Spannung auf die y-Achse, der Mittelpunktsabstand der Kugeln mittels Bewegungsmesswandler als Spannung auf die x-Achse gelenkt. Die Messpunkte und die erwartete 1/r² -Kurve stimmen für kleine Abstände nicht mehr gut überein, da in diesem Bereich zusätzlich zu den rein abstoßenden Kräften auch anziehende Kräfte auf Grund von Influenz auftreten.