Ph 12

Versuche

Kraft auf Spiegelladung

Grundaufbau:
Eine isoliert aufgehängte Kugel wird entweder an einem sehr empfindlichen Kraftsensor oder an eine Federwaage mit Kompensation für das Kugelgewicht aufgehängt und über eine Hochspannungsquelle oder mittels geriebenem Hartgummistab geladen. Unterhalb der Kugel bringt man eine große geerdete Platte und misst die Kraft zwischen Platte und Kugel in Abhängigkeit von deren Abstand (Platte - Kugelmittelpunkt).
Zur Versuchsdurchführung fahre mit der Maus über das Bild rechts.

Praktischer Versuch:
Rechts ist der Versuchsaufbau mit dem Kraftsensor dargestellt.

Im 1. Teilversuch wird bei konstanter Kugelladung die Kraft gemessen

Im 2. Teilversuch wird die Kugelladung durch symmetrische Berührung mit einer gleichgroßen neutralen Kugel die Ladung halbiert und jeweils die Kraft gemessen.

Versuchsergebnisse:
1. Teilversuch: Abhängigkeit der Kraft vom Abstand -Kugelmitte zur Platte (bei gleichbleibender Kugelladung)

a in mm
25mm
30 mm
35mm
F in mN
0,19
0,13
0,10

2. Teilversuch: Abhängigkeit der Kraft von der Kugelladung bei gleichbleibendem Kugelabstand

Q in Q0
Q0
0,5 Q0
F in mN
0,19
0,05

Versuchsauswertung:
Zeige aus den Versuchsergebnissen,
1.dass die Kraft indirekt proportional zum Quadrat des Abstands und
2. direkt proportional zum Quadrat der Ladung ist.
3. Berechne die Ladung der Kugel mittels coulombschen Kraftgesetzes und dem unten beschriebenen Spiegelladungsprinzip.

Zur Lösung

Prinzip der Spiegelladung:

Steht eine Ladung q vor einer ungeladenen geerdeten Platte, so werden durch Influenz eine Gegenladung -q auf die Platte aus der Erdung verschoben. Das Feldlinienbild sieht aus wie die Hälfte des Bildes zweier entgegengesetzt gleicher Ladungen mit der Platte in der Mitte. Deshalb lässt sich die Kraft zwischen Platte und Ladung so berechnen wie die Kraft zwischen zwei gleichen Ladungen im Abstand 2a.
Wie man sich das vorstellen kann, sieht man an der folgenden Animation.

 
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