In Abb. 1 ist ein Elektroskop dargestellt, mit dem man elektrische Ladungen nachweisen kann.
Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Skizze zur Aufgabe
a)
Erkläre die Funktionsweise des Elektroskops. Gehe dabei davon aus, dass die angenäherte Kugel die positive Ladung \(+\Delta Q\) trägt und den Teller des Elektroskops berührt.
b)
Erläutere, wie der Versuch ausgehen würde, wenn die geladene Kugel nun eine negative Ladung \(-\Delta Q\) tragen würde.
Ein Elektroskop ist bereits vorgeladen, allerdings kennt man nicht das Vorzeichen der Ladung.
c)
Erläutere, wie man z.B. experimentell vorgehen könnte, um das Vorzeichen der Ladung festzustellen.
Abb. 2 Ein geriebener Hartgummistab ist negativ geladen (Überschuss an negativen Ladungen). Er influenziert (verschiebt Ladungen im angrenzenden Metall) Ladungen im Elektroskop, so dass die Zeigeranordnung negativ, der Kopf positiv geladen ist. In der Zeigeranordnung stoßen sich Zeiger und Aufhängung ab. Außerdem wird der Zeiger durch das geerdete Gehäuse angezogen, das ebenfalls influenziert wird.
Die positiv geladene Kugel (d.h. auf der Kugel herrscht ein Mangel an negativen Ladungen, die sich im Metall bewegen können) berührt den metallischen Teller des Elektroskops.
Die Ladung geht von der Kugel auf das leitende Messsystem des Elektroskops über. Hinweis: Die Aussage: "Positive Ladungen der Kugel gehen auf das Messsystem über" ist eigentlich nicht ganz richtig. In Metallen können sich nur negative Ladungen frei bewegen, die positiven Ladungen sitzen fest. Man müsste also genauer sagen: "Der Elektronenmangel der Kugel wird auch auf das Messsystem übertragen, d.h. es werden kurzzeitig Elektronen vom Messsystem zur Kugel fließen."
Der drehbare, positiv geladene Metallzeiger wird von der feststehenden positiv geladenen Halterung abgestoßen, es kommt zum Ausschlag.
Hinweise zu nicht ganz so wichtigen Details: Das positiv geladene Messsystem influenziert im geerdeten Gehäuse negative Ladungen, d.h. aus der Erde fließen negative Ladungen auf das ursprünglich neutrale Gehäuse des Elektroskops. Schon während der Annäherung der Kugel an das Elektroskop findet Influenz statt (diese ist in der Animation nicht berücksichtigt).
b)
Es käme wieder zum Ausschlag des Elektroskops, nur ist dann das Messsystem negativ geladen. Das Gehäuse würde positiv influenziert.
c)
Würde bei Annäherung der positiv geladenen Kugel der Elektroskopausschlag zurückgehen, so war das Elektroskop negativ vorgeladen.
Begründung: Die positive Ladung der Kugel zieht die negativen Ladungen des Messsystems an. Im Messsystem findet eine Verlagerung der negativen Ladungen vom Zeigersystem zum Teller des Elektroskops statt. Wenn aber die negativen Ladungen vom Zeigersystem teilweise abgezogen werden, verringert sich der Ausschlag.
Würde bei Annäherung der positiv geladenen Kugel der Elektroskopausschlag zunehmen, so war das Elektroskop positiv vorgeladen.
