Starke Aufladung von Bandgeneratoren
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 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.
Erläutere, warum die Papierhaare bei eingeschaltetem Bandgenerator zu Berge stehen.
Aufgabe
Erläutere, warum die leichten Aluminiumschalen von der Haube des Bandgenerators in hohem Bogen davonfliegen, wenn du den Bandgenerator einschaltest.
Blitze am Bandgenerator - ein einfaches Modell für ein Gewitter
Mit Hilfe des Bandgenerators kannst du auch kleine Blitze erzeugen. Dazu benötigst du neben dem Bandgenerator noch eine kleine, geerdete Metallkugel (siehe Abb. 3), 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.
Funktionsprinzip des Bandgenerators
Joachim Herz Stiftung
\(\mathrm{1)\enspace}\)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.
\(\mathrm{2)\enspace}\)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.
\(\mathrm{3)\enspace}\)Die negativen Ladungen auf der Innenseite des rechten Bandes fließen über die untere Metallwalze zur Erde ab.
\(\mathrm{4)\enspace}\)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.
\(\mathrm{5)\enspace}\)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.