Aufbau und Durchführung
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).
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.
Beobachtung
1. Teilversuch
Abhängigkeit der Kraft vom Abstand -Kugelmitte zur Platte (bei gleichbleibender Kugelladung)
| \(a\;{\rm{in}}\;{\rm{mm}}\) | \(25\) | \(30\) | \(35\) |
| \(F\;{\rm{in}}\;{\rm{mN}}\) | \(0{,}19\) | \(0{,}13\) | \(0{,}10\) |
2. Teilversuch
Abhängigkeit der Kraft von der Kugelladung bei gleichbleibendem Kugelabstand
| \(Q\;{\rm{in}}\;{Q_0}\) | \(1\) | \(0,5\) |
| \(F\;{\rm{in}}\;{\rm{mN}}\) | \(0{,}19\) | \(0{,}05\) |
Auswertung
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.
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 Prinzip der Spiegelladung vorstellen kann, sieht man an der Animation in Abb. 4.
Bringt man in die Symmetrieebene zweier gleichgroßer entgegengesetzter Ladungen eine Metallplatte, so influenzieren sich in ihr Ladungen (Modellvorstellung: an jedem Feldlinienende ein Pärchen).
Schließt man die Platte mit der rechten Seite kurz, so gleichen sich die Ladungen auf der rechten Plattenseite mit den Ladungen auf der Kugel aus, rechts der Platte wird der Raum feldfrei, links ändert sich das Feld gar nicht.