Aufbau
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 \(10^{-8}\,\rm{As}\) 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 \(1 \cdot 10^{-8}\,\rm{As}\).
Bei hohen Spannungen muss zwischen Ladungsmessgerät und Messspitze meist ein zusätzlicher Widerstand von \(1\,\rm{M\Omega}\) eingebaut werden.
Durchführung und Beobachtung
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
- Die innere Kugel wird über einen Dorn geladen.
- 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.
- 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. Dabei fließt beim Messvorgang die Ladung auf den Außenflächen der Halbkugeln ab.
- Nun ist die Kombination der Ladung aus innerer Kugel und äußeren Halbkugeln nach außen hin neutral. Die Kugeln verursachen kein elektrisches Feld mehr im Außenraum. Das elektrische Feld der inneren Kugel ist somit abgeschirmt.
- 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.
Beschreibe, wie sich das Experiment und die Messwerte verändern, wenn die Kugel positiv anstatt negativ aufgeladen wird.