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Versuche

Spitzenwirkung und Spitzenentladung

Ziel des Versuchs

  • Nachweis, dass das E-Feld an gekrümmten Flächen so stark ist, dass Elektronen mit der Luft ausgetauscht werden
  • Beispiel der technischen Nutzung des Spitzeneffektes 

Versuchsteil 1: Der Spitzeneffekt am Segnerrad

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau zum Nachweis des Spitzeneffektes mit dem Segnerrad

Ein metallischer Leiter, dessen beiden Enden jeweils um 90° umgebogen sind und spitz zulaufen, wird gut drehbar gelagert (vgl. Abb.1). Eine solche Anordnung nennt man Segnerrad.

Nun wird das Segnerrad mit der Haube eines Bandgenerators verbunden, sodass das Segnerrad genau so aufgeladen wird, wie die Haube des Bandgenerators. Alternativ kann das Segnerrad auch direkt auf der Haube des Bandgenerators platziert werden.

Die geerdete Glimmlampe wird am Ende des Versuchs benötigt, um die reduzierte Aufladung des Bandgenerators zu zeigen.

Durchführung

Für die Versuchsdurchführung wird der Bandgenerator eingeschaltet und du beobachtest das Segnerrad.

Versuch im Video

Aufgaben zum Versuchsteil 1
Aufgabe

1) Erläutere, warum sich das Segnerrad anfängt zu drehen, wenn du den Bandgenerator einschaltest.

Lösung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Erklärung der Drehung des Segnerrades durch den Spitzeneffekt

Die gleichnamigen Ladungen im Leiter streben soweit wie möglich auseinander. Dabei sammeln sich in den Spitzen besonders viele Ladungen und entwickeln dort so große Kräfte aufeinander, dass sie zum Teil die Metalloberfläche verlassen können. Dort lagern sie sich an den Gasmolekülen der Umgebung an. Dadurch entstehen gegenseitige Abstoßungskräfte zwischen den Gasmolekülen und der Spitze des Segnerrades. Die Gasmoleküle werden von der Spitze abgestoßen und die Spitze wird von den Gasmolekülen abgestoßen. Das Rad beginnt sich zu drehen.

Hinweis: Falsch wäre eine Erklärung, dass sich das Segnerrad auf Grund des Rückstoßes der austretenden Elektronen drehen würde. Hierzu ist die Elektronenmasse, wie Rechnungen, die in der Oberstufe durchgeführt werden können, zu klein.

Aufgabe

2) Erläutere, was im Versuch mit der geerdeten Glimmlampe, die erst kurz vor der Haube des Bandgenerators aufblitzt, nachgewiesen wird und wie diese Eigenschaft in der Technik genutzt wird.

Lösung

Das Aufleuchten der Glimmlampe erst kurz vor der Haube des Bandgenerators zeigt, dass die Haube durch das angeschlossene Segnerrad langsam entladen bzw. seine maximale Aufladung deutlich reduziert wird, da über die Spitzen des Rades Elektronen aus dem Metall austreten oder in das Metall eintreten können (je nach Ladung der Haube).

Dieser Effekt wird z.B. bei Flugzeugen in Form von sog Static Dischargern genutzt, um eine statische Aufladung der Flugzeughülle zu vermeiden bzw. diese zu reduzieren.

Versuchsteil 2: Nachweis des Spitzeneffektes mit einer Kerzenflamme

Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Nachweis des Spitzeneffektes mit einer Kerze

Du baust einen geraden metallischen Leiter, dessen Ende spitz zuläuft, gerade so auf, dass die Spitze direkt auf eine Kerzenflamme zeigt (vgl. Abb 4). Dabei ist der gerade Leiter wieder mit der Haube des Bandgenerators verbunden.

Durchführung

Für die Versuchsdurchführung wird der Bandgenerator eingeschaltet und du beobachtest das Verhalten der Kerzenflamme.

Aufgabe
Aufgabe

Beschreibe den zweiten Versuchsteil im Video und erkläre das Verhalten der Kerzenflamme physikalisch.

Lösung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 5 Ionenwind durch den Spitzeneffekt

Die gleichnamigen Ladungen im Metallkörper streben soweit wie möglich auseinander, dabei sammeln sich in den Spitzen besonders viele Ladungen und entwickeln dort so große Kräfte aufeinander, dass sie zum Teil die Metalloberfläche verlassen können. Dort lagern sie sich an den Gasmolekülen der Umgebung an, die dadurch abgestoßen werden. Es entsteht ein Ionenwind.

Diese Spitzenentladung und die sich daraus ergebende Leuchterscheinung kann man selten bei Gewittern an exponierten Stellen beobachten. Dies nennt man Elmsfeuer.

Alternativer Versuchsaufbau

Joachim Herz Stiftung
Abb. 6 Aufbau mit Wimshurstmaschine

Du kannst die Versuche auch mit einer Wimshurstmaschine (vgl. Abb. 6) anstelle eines Bandgenerators durchführen. Auch hier ist die entstehende Aufladung groß genug, sodass der Spitzeneffekt eintritt und Elektronen den Leiter verlassen können. Ein Versuchsvideo mit diesem Aufbau findest du hier.