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Versuche

Influenzversuch nach CAVENDISH

Aufbau

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Abb. 1 Aufbau des Influenzversuchs nach CAVENDISH

Zentrale Elemente des Versuchsaufbaus sind eine Kugel und eine sie umfassende Hohlkugel, die aus zwei Hälften zusammengesetzt ist. Die Kugel und die beiden Hohlkugeln sind isoliert aufgebaut.

Mithilfe eines Hochspannungsnetzgerätes kann die Kugel beliebig positiv oder negativ aufgeladen werden. Alternativ können hierzu auch verschiedene Reibestäbe genutzt werden.

Das Ladungsmessgerät ist hier auf einen Messbereich von \(10^{-9}\,\rm{As}\) eingestellt. Als Anzeigegerät der Ladung ist an das Ladungsmessgerät ein Spannungsmesser mit Mittelskala in einem Messbereich von \(10\,\rm{V}\) angeschlossen; zeigt dieser eine Spannung von \(1\,\rm{V}\) an, so bedeutet dies eine Ladung von \(1 \cdot 10^{-9}\,\rm{As}\).

Bei hohen Spannungen muss zwischen Ladungsmessgerät und Messspitze meist ein zusätzlicher Widerstand von \(1\,\rm{M\Omega}\) eingebaut werden.

Durchführung und Beobachtung

Abb. 2 Durchführung und Beobachtungen beim Influenzversuch nach CAVENDISH

Vorversuch

Man lädt zunächst die innere Metallkugel alleine auf, indem man sie mit dem Pluspol der Hochspannungsquelle verbindet.

Mit dem Ladungsmessgerät misst man die auf der Kugel sitzende Ladung.

Hauptversuch

Nun werden die zwei Halbkugeln um die innere Kugel gehüllt. Es ist darauf zu achten, dass zwischen den Halbkugeln und der inneren Kugel keine leitende Verbindung besteht.

Die innere Kugel wird über einen Dorn geladen.

Mit dem Ladungsmessgerät misst man die auf der äußeren Kugel sitzende Ladung.

Es zeigt sich, dass auf der Außenseite der Hohlkugeln die gleiche Ladungsmenge sitzt (Betrag und Vorzeichen sind gleich) wie auf der inneren Kugel.

Wer sehr geschickt ist, kann nun die Halbkugeln ohne Berührung mit der inneren Kugel auseinanderziehen und die Ladung der beiden Halbkugeln bestimmen. Sie ist vom gleichen Betrag jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen wie die Ladung der inneren Kugel.

Aufgabe

Im Video wurde die Kugel mit \(U=-10\,\rm{kV}\) aufgeladen und trug anschließend eine Ladung von \(Q=-6\cdot10^{-8}\,\rm{As}\).

Berechne die Kapazität der im Video verwendeten Kugel.

Lösung

Für die Kapazität eines Kondensators gilt \(C=\frac{Q}{U}\) und somit \[C=\frac{-6\cdot10^{-8}\,\rm{As}}{-10\,\rm{kV}}=\frac{-6\cdot10^{-8}\,\rm{As}}{-10\cdot 10^3\,\rm{V}}=6\cdot 10^{-12}\,\rm{F}\]

Beschreibe, wie sich das Experiment und die Messwerte verändern, wenn die Kugel positiv anstatt negativ aufgeladen wird.

Lösung

Wird die Kugel positiv aufgeladen so ist auch die Ladung, die sich auf der Kugel befindet positiv und entsprechend \(Q=+6\cdot10^{-8}\,\rm{As}\). Werden die Halbkugeln um die positiv geladene Kugel geschoben, so befindet sich auch auf den Außenflächen der Halbkugeln eine positive Ladung von \(Q=+6\cdot10^{-8}\,\rm{As}\). Entfernt man anschließend die Halbkugeln aus dem elektrischen Feld der mittleren Kugel und bringt die Halbkugeln zusammen, so kann man nun eine negative Ladung von \(Q=-6\cdot10^{-8}\,\rm{As}\) messen.