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Versuche

Bandgenerator

Ziel des Versuchs

  • Bestimmung der Ladungsart mittels Glimmlampe
  • Veranschaulichung der Abstoßung gleichnamiger Ladung durch abstehende Haare und fliegende Aluschalen
  • Einführung eines einfachen Modells zur Erklärung von Gewittern

Starke Aufladung von Bandgeneratoren

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Aufbau eines Bandgenerators

Sogenannte Bandgeneratoren (Abb. 1) bestehen zentral aus einem Gummiband, dass über zwei Walzen läuft. Die untere Walze wird von einem Motor angetrieben, sodass das Gummiband immer im Kreis läuft. Durch die Reibung mit der Walze lädt sich sich das Band auf und sorgt mittels Influenzeffekten dafür, dass auf der großen Metallhaube entweder ein großer Elektronenüberschuss oder ein großer Elektronenmangel entsteht (abhängig von den verwendeten Materialien bei Band und Walzen). Die Metallhaube wird also im Betrieb entweder stark negativ oder stark positiv aufgeladen.

Es können dabei Spannungen von bis zu \(200\,000\,\rm{V}\) entstehen. Handle entsprechend umsichtig beim Experimentieren mit dem Bandgenerator.

Ladung eines Bandgenerators und Abstoßung gleichnamiger Ladungen

Mit Hilfe einer geerdeten Glimmlampe kannst du im Experiment prüfen, ob ein Bandgenerator die Metallhaube positiv oder negativ auflädt.

Um zu zeigen, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, kannst du verschiedenen Versuche durchführen. Im folgenden Video wird einmal ein Büschel Papierhaare auf der Haube des Bandgenerators platziert und in einem zweiten Versuch werden mehrere leichte Aluminiumschalen auf die Haube des Bandgenerators gelegt.

Aufgaben
Aufgabe

Beschreibe mit Hilfe des Videos, wie du experimentell bestimmen kannst, ob bei einem Bandgenerator die Metallhaube positiv oder negativ aufgeladen wird.

Lösung

  

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Das Aufleuchten der Glimmlampe gibt Aufschluss über die Ladung

Mit Hilfe einer Glimmlampe kannst du bestimmen, ob die Metallhaube positiv oder negativ aufgeladen wird. Dazu erdest du eine Seite der Glimmlampe und näherst die andere Seite der Metallhaube des Bandgenerators, der vorher natürlich eine Zeit lang eingeschaltet war. Von der Seite her, auf der die Glimmlampe aufblitzt, fließen die Elektronen durch die Glimmlampe zur anderen Seite. Die aufleuchtende Seite der Glimmlampe zeigt also auf den negativ geladenen Ort (den Ort mit Elektronenüberschuss).

Wenn, wie im Video und in Abb. 3, die dem Bandgenerator zugewandte Seite der Glimmlampe aufblitzt, dann lädt der Bandgenerator die Metallhaube negativ auf. Blitzt hingegen die geerdete Seite der Glimmlampe auf, so lädt der Bandgenerator die Metallhaube positiv auf.

Erläutere, warum die Papierhaare bei eingeschaltetem Bandgenerator zu Berge stehen.

Lösung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Abstoßung der Papierhaare aufgrund gleicher Ladung

Aufgrund der starken Ladung der Metallhaube und den damit verbundenen hohen Spannungen laden sich auch die Oberflächen der Papierhaare etwas negativ auf (siehe Abb. 4). Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, positionieren sich die Papierhaare so, dass ihre Oberflächen möglichst weit voneinander und vom Bandgenerator entfernt sind. Dies ist gerade der Fall, wenn die Papierhaare zu Berge stehen.

Aufgabe

Erläutere, warum die leichten Aluminiumschalen von der Haube des Bandgenerators in hohem Bogen davonfliegen, wenn du den Bandgenerator einschaltest.

Lösung

Die Aluminiumschalen sind elektrische Leiter. Da die Schalen zu Beginn direkt auf der Haube des Bandgenerators liegen, werden die Schalen genau wie die Haube des Bandgenerators aufgeladen. Die gleichnamigen Ladungen auf den Schalen und der Haube stoßen sich ab. Da die Ladung sehr stark und die Masse der Aluschalen klein ist, reichen die abstoßenden Kräfte zwischen den Ladungen aus, um jeweils die oberste Aluminiumschale in die Luft zu heben und davon fliegen zu lassen. 

Blitze am Bandgenerator - ein einfaches Modell für ein Gewitter

Joachim Herz Stiftung
Abb. 5 Bandgenerator mit geerdeter Kugel

Mit Hilfe des Bandgenerators kannst du auch kleine Blitze erzeugen. Dazu benötigst du neben dem Bandgenerator noch eine kleine, geerdete Metallkugel (siehe Abb. 5), die du im Versuch immer näher an den eingeschalteten Bandgerator heran schiebst.

Dieses Experiment kannst du auch als sehr einfaches Modell für die Vorgänge bei einem Gewitter ansehen. Die Haube des Bandgenerators ist dabei die Gewitterwolke. Während die Haube des Bandgenerators im Prinzip durch die Reibung des Gummibandes an den Walzen aufgeladen wird, lädt sich die Gewitterwolke durch die Reibung von sich im Inneren der Wolke schnell bewegenden Eis- und Wasserteilchen auf.

Die geerdete Metallkugel stellt im Modell die Erde da. Die Kugel ist ungeladen und durch Blitze zwischen Bandgenerator und Kugel können Ladungen vom Bandgenerator abfließen. Ebenso können durch Blitze Ladungen von der Gewitterwolke abfließen. Es findet jeweils ein Ladungsausgleich statt.

Versuchsdurchführung

Aufgabe
Aufgabe

Begründe physikalisch, warum nach einem Blitz die Papierhaare am Bandgenerator etwas nach unten fallen.

Lösung

Bei einem Blitz kommt es zu einem teilweise Ladungsausgleich zwischen der großen Metallhaube (Gewitterwolke) und der geerdeten Metallkugel (Erde). Daher ist die Metallhaube direkt nach einem Blitz weniger stark geladen. Die Abstoßungskräfte zwischen den Papierhaaren und der Haube des Bandgenerators sind daher geringer, sodass die Haare aufgrund ihrer Gewichtskraft nach unten fallen.

Dieser Effekt hält jedoch nur kurz an, da der laufende Bandgenerator ständig dafür sorgt, dass sich die Metallhaube neu auflädt.

Funktionsprinzip des Bandgenerators

Abb. 7 Aufbau und Funktionsweise eines Bandgenerators

Die gelbe Kunststoffwalze reibt mit dem roten Gummiband. Dabei lädt sich die Kunststoffwalze positiv (rot), die Innenseite des Gummibandes negativ (blau) auf. Hinweis: Je nach Materialkombination könnte dies auch umgekehrt sein.

Das auf der rechten Seite herablaufende Band influenziert auf dem direkt am Band sitzenden unteren Kamm (nach rechts gerichteter Pfeil) positive Influenzladungen, die aufgrund der Spitzenwirkung auf die Außenseite des nach oben laufenden Bandes aufgesprüht werden. Zum Ladungsausgleich fließen an diesem Kamm negative Ladungen zur Erde ab.

Die negativen Ladungen auf der Innenseite des rechten Bandes fließen über die untere Metallwalze zur Erde ab.

Die auf die Außenseite des nach oben laufenden linken Bandes aufgesprühten positiven Ladungen bewirken am oberen Kamm durch Influenz eine Ansammlung von negativen Ladungen, die auf die Außenseite des Bandes sprühen und dieses außen neutralisieren.

Zum Ladungsausgleich sammeln sich auf der Haube des Bandgenerators positive Ladungen an.

Die Aufladung der Haube ist deshalb besonders stark, da vom Inneren der Haube, der einen FARADAYschen Käfig bildet, beliebig viel Ladungen auf diese übertragen werden können (feldfreien Raum).

Die Aufladung des Bandgenerators ist aber wegen der endlichen Durchschlagsfestigkeit der Luft begrenzt.