Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Oberstufe

Feldmühle

  • Wie lautet das Gesetz von COULOMB?
  • Wie ist das Feld im Innern eines Plattenkondensators?
  • Wie viel Energie kann ein Kondensator speichern?

Feldmühle

Die Feldmühle (WILSON-Platte) ist ein Gerät zum Messen elektrostatischer Felder im Labor, aber auch im Freien. Dabei macht man sich den Zusammenhang zwischen der Feldstärke \(E\) und der durch Influenz hervorgerufenen Flächenladungsdichte \(D\) zu Nutzen. Aus der Grundgleichung \(E = {\varepsilon _0} \cdot D\) des elektrischen Feldes und dem Zusammenhang \(D = \frac{Q}{A}\) bestimmt man durch Messung der Ladung \(Q\) bei bekanntem Flächeninhalt \(A\) die elektrische Feldstärke \(E\).

1 Prinzip einer Feldmühle zur Messung der elektrischen Feldstärke

Ein elektrisches Feld influenziert Flächenladungen auf der Erde.

Legt man eine Metallplatte über die Erdoberfläche und erdet sie, so treten auf ihr ebenfalls Flächenladungen auf - je nach Richtung des Feldes positive oder negative.

Wenn diese Platte mit einer anderen geerdeten Platte überdeckt wird, so treten die Ladungen auf der oberen Platte auf und die Ladungen auf der unteren Platte fließen zur Erde ab und können mittels eines Messgeräts bestimmt werden.

2 Versuchsaufbau zur Messung der elektrischen Feldstärke mit einer Feldmühle

In der Feldmühle wird dieses Messprinzip automatisiert. Ein Motor dreht ein geerdetes Flügelrad (hier grau) über zwei elektrisch voneinander getrennten Sektorflächen (hier rot und blau). Die influenzierte Ladungsdichte in den beiden Sektorflächen schwankt nun zwischen Null (voll abgedeckt) und maximaler Flächenladungsdichte \(D\) (voll frei). Durch die Widerstände A und B fließt periodisch ein Lade- bzw. Entladestrom.

Prinzipiell würde eine Sektorfläche genügen. Da die beiden Sektoren aber gegenphasige Wechselspannungen liefern, kann man diese in einen Differenzverstärker einspeisen und erhält auf diese Weise eine Wechselspannung mit doppelter Amplitude. Der dabei messtechnisch wesentlichere Effekt ist aber, dass sich Störströme und Störfelder, die z.B. durch den Motor entstehen, heraussubtrahieren.

Stefan Kneifel hat auf seiner Hompepage eine detaillierte Bauanleitung für eine Feldmühle ins Netz gestellt und Beispiele gebracht, wie man damit Wolken, insbesondere Gewitterwolken, messtechnisch erfassen kann.

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