Ladungen & Felder - Mittelstufe

Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Mittelstufe

  • Was sind elektrische Ladungen?
  • Welche besonderen Eigenschaften hat Bernstein?
  • Woher kommt der Name „Elektron“?
  • Gibt es eine kleinste Ladung?

Funktionsprinzip des Bandgenerators

1 Aufbau und Funktionsweise eines Bandgenerators

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.

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.

Die negativen Ladungen auf der Innenseite des rechten Bandes fließen über die untere Metallwalze zur Erde ab.

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.

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.

Foto: Wiemann-Lehrmittel

Eine negativ geladene Kugel vor dem Bandgenerator

Wird der Bandgenerator betrieben, so lädt sich dessen Kopf negativ auf.

Fahre mit der Maus über das Bild und betreibe dadurch den Bandgenerator!

Fertige eine Prinzipskizze des Aufbaus

Erkläre durch Einzeichnen der negativen und positiven Ladungen den Versuch.

Wer mehr über Bandgeneratoren und dessen Bau wissen will, der kann die englische Seite von Bill Beaty (siehe Foto links) anklicken, der hier den Kopf eines selbst gebauten Bandgenerators berührt.

Versuch 1: Geladene Körper

Auf der Spitze eines Bandgenerators wurden Metallfäden angeheftet. Was passiert nun wenn der Bandgenerator geladen wird?

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 1

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Versuch 2: Bandgenerator und geerdete Kugel

Zwei leitende Kugeln sind über eine Stange aus isolierendem Material verbunden und an einer Schnur aufgehängt. Die Anordnung befindet sich in einem inhomogenen elektrischen Feld. Die Kugeln werden entgegengesetzt aufgeladen. Dann wird die das elektrische Feld erzeugende Spannung immer stärker hochgedreht.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 2

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Versuch 1: Dipol im homogenen Elektrischen Feld

Zwei leitende Kugeln sind über eine Stange aus isolierendem Material verbunden. Die Anordnung ist an einer Schnur aufgehängt und befindet sich in der Mitte des homogenen Feldes eines geladenen Plattenkondensator. Die Kugeln werden entgegengesetzt aufgeladen.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 1

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Versuch 2: Dipol im inhomogenen Elektrischen Feld

Zwei leitende Kugeln sind über eine Stange aus isolierendem Material verbunden und an einer Schnur aufgehängt. Die Anordnung befindet sich in einem inhomogenen elektrischen Feld. Die Kugeln werden entgegengesetzt aufgeladen. Dann wird die das elektrische Feld erzeugende Spannung immer stärker hochgedreht.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 2

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Grießkörner auf Rizinusöl

Grießkörner können in einem elektrischen Feld influenziert werden. Sie richten sich längs der Feldlinien aus und bilden dann auf Grund der gegenseitigen Anziehung Grieskörner-Ketten.

Damit die Grießkörner genügend Bewegungsraum haben, lässt man sie auf Rizinusöl oder Glyzerin schwimmen. Die angelegten Spannungen müssen verhältnismäßig hoch sein, Die Bilder kann man besonders gut im durchscheinenden Licht eines Tageslichtprojektors zeigen.

Auf den Tageslichtprojektor stellt man zunächst eine Glasplatte zum Schutz des Tageslichtprojektors vor dem schwer zu entfernenden Öl. Darauf stellt man die flache Glasschale mit dem Rizinusöl und dem Grieß und schließt die Elektroden an eine Hochspannung lieferndes Gerät (Bandgenerator oder Hochspannungs- Netzgerät) an.

In der Draufsicht sieht man wie sich die Grießkörner langsam zu Ketten formieren, die man in der Projektion (untere Bilder) gut zeigen kann.

Draufsicht

Feld einer isoliert aufgestellten Kugel, das Äußere ist durch Influenz entgegengesetzt geladen

Ein solches Feld ist radialsymmetrisch.

Feld zweier entgegengesetzt geladener Platten

Dieses Feld zeichnet sich dadurch aus, dass die Feldlinien zwischen den Platten parallel sind und die Kraft auf einzelne Ladungen überall gleich.

Feld zweier entgegengesetzt geladener Kugeln

Dieses Feld ähnelt stark dem Feld zweier gegenüberliegender unterschiedlicher magnetischer Pole.

Feld zweier gleich geladener Kugeln

Dieses Feld ähnelt stark dem Feld zweier gegenüberliegender gleicher magnetischer Pole.

Dieses Bild ist mit Rizinus schwer darzustellen

Feld im Inneren einer Kugel

Im Inneren eines Metallringes ist es feldfrei ("Faradayscher Käfig").

Was unterscheidet Grießbilder von Feldlinienbildern?

1.

Feldlinien schneiden oder teilen sich nicht - Grießkörnerketten tun dies schon.

2.

Grießkörnerketten laufen nicht exakt entlang einer Feldlinie - die Grießkörnerkette wird durch die Feldrichtung (Kraft auf eine Probeladung) und die gegenseitige Beeinflussung der Grießkörner bestimmt, die Feldlinien werden nur durch die Feldrichtung bestimmt.

Plastikfasern auf Karton

Plastikfasern richten sich ebenfalls auf Grund ihrer länglichen Molekülstruktur in einem elektrischen Feld aus. Streut man sie mit einem Salzstreuer auf einen Karton, so bleiben sie in Feldrichtung liegen. Die typischen Kettenbildung wie bei Grießkörnern ist allerdings nicht so stark ausgeprägt. Man sollte beim Bestreuen die Spannung hoch einstellen, wenn man in größerer Entfernung der Elektroden streut, damit sie sich gut ausrichten, die Spannung aber reduzieren, wenn man in der Nähe der Elektroden streut, da sonst die Plastikfasern auf Grund der Influenzwirkung einfach zu den Elektroden gezogen werden.

Auf ein kleines Tischchen werden vorgefertigte Kartons mit Metallelektroden gebracht, die von unten über je eine Nadel mit den Polen eines Hochspannungs-Netzgeräts verbunden werden. Dann streut man Plastikfasern mit einem Salzstreuer gleichmäßig über die Kartons.

Zwei ungleichnamig geladene Kugeln

Kugel und Platte

Modell Plattenkondensator

Modell des feldfreien Raum (Faraday - Käfig)

Feldverlauf an der Spitze

Das Elektroskop

Isolierte Ladung

Was unterscheidet Plastikfaserbilder von Feldlinienbildern?

1.

Die Dichte (Anzahl der Fäden pro cm²) von Plastikfasern sagt nichts über die Stärke des Feldes (Größe der Feldkraft) aus, sondern hängt nur von der Menge der draufgeschütteten Plastikfasern ab.

2.

Bei Feldlinienbildern zeichnet man die Feldlinien an Orten größerer Feldkraft enger zusammen als am Orten geringerer Feldkraft.

Mithilfe der folgenden Simulation kannst du fast beliebige Ladungskonfigurationen in der Ebene bequem erzeugen und dir die sich ergebenden elektrischen Felder und Potenziale in verschiedenen Darstellungsformen (Feldlinien, "Richtungsfeld", Potentiallinien) anschauen. Auch die Stärke des elektrischen Feldes an beliebigen Stellen kannst du dir anzeigen lassen.

1 Darstellung der Struktur beliebiger elektrischer Felder

Eine Version der Animation in größerer Darstellung ist hier zu finden.

Wir danken Herrn Professor Raimund Girwidz von der LMU München für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

Aufgabe

Veranschauliche mithilfe der Simulation

  1. das Feld einer positiv bzw. negativ geladenen Kugel,
  2. das Feld zweier gleich bzw. entgegengesetzt geladenen Kugeln,
  3. das Feld zweier entgegengesetzt geladenen Platten,
  4. das Feld im inneren eines Ringes bzw. Vierecks.

Überprüfe jeweils was passiert, wenn du die Ladungen umkehrst.

Lösung
Eigene Lösung.

Aufbau und Durchführung

Ein zuvor geriebener und daher negativ geladener Plexiglasstab wird einem Elektroskop genähert.

Beobachtung

Funktion eines Elektroskops

Wenn der geladene Stab wie in Bild 1 weit von Elektroskop entfernt ist, zeigt sich kein Ausschlag. Näherst du den Stab wie in Bild 2 an das Elektroskop, so schlägt dieses aus.

Aufgabe

1) Fertige eine Prinzipskizze von Ausgangs- und Endsituation an und erkläre durch Einzeichnen der negativen und positiven Ladungen den Ausschlag am Elektroskop.

Lösung
Erklärung der Funktion eines Elektroskops durch Ladungsverschiebung

Ein geriebener Hartgummistab ist negativ geladen (Überschuss an negativen Ladungen). Er influenziert (verschiebt Ladungen im angrenzenden Metall) Ladungen im Elektroskop, so dass die Zeigeranordnung negativ, der Kopf positiv geladen ist. In der Zeigeranordnung stoßen sich Zeiger und Aufhängung ab. Außerdem wird der Zeiger durch das geerdete Gehäuse angezogen, das ebenfalls influenziert wird.

2) Schlägt das Elektroskop auch aus, wenn der Stab positiv anstatt negativ aufgeladen ist? Begründe deine Meinung mit physikalischen Argumenten.

Lösung

Ausschlag des Elektroskops bei positiv geladenem Stab
Ja, das Elektroskop, schlägt auch aus wenn der Stab positiv geladen ist. Im Elektroskop kehren sich alle Ladungsverschiebungen einfach um.

Der positiv geladen Stab influenziert (verschiebt Ladungen im angrenzenden Metall) Ladungen im Elektroskop, so dass der Kopf negativ, die Zeigeranordnung positiv geladen ist. In der Zeigeranordnung stoßen sich Zeiger und Aufhängung wieder ab. Außerdem wird der Zeiger durch das geerdete Gehäuse angezogen, das ebenfalls influenziert wird.

Versuch: Influenz einer Kugel

Eine kleine Metallkugel wird an einem geriebenen Glasstab aufgeladen und isoliert ins Innere einer auf ein Elektroskop aufgesetzte großen Kugel gebracht ohne diese leitend zu berühren.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung des Versuchs

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Funktionsweise

Influenzmaschine nach Wimshurst

Die Influenzmaschine erzeugt statische Elektrizität hoher Spannung und geringer Stromstärke. Die beiden Scheiben sind mit einer bestimmten Anzahl von Stanniolbelägen belegt und rotieren in geringem Abstand in entgegengesetzter Richtung. Zu Beginn ist irgendein Stanniolbelag z.B. von der vorderen Scheiben zufällig elektrisch negativ geladen (Restladung). Dieser negative Belag sorgt so durch Influenz in einem bei ihm vorbei rotierenden Belag für eine Ladungsverschiebung. Berührt nun gerade der hintere Neutralisator diese Platte, so fließen Elektronen von dieser Platte ab und durch den Neutralisator auf die gegenüberliegende Platte. Aus einer geladenen Platte sind nun drei geladene Platten geworden.

Beim Weiterdrehen werden so immer Platten geladen, wenn sie gerade über den Neutralisator verbunden sind und sich auf der anderen Scheibe gerade eine geladene Platte bei mindestens einer der Scheiben befindet. Durch die versetzte Anbringung der Bürsten schaukelt sich das gegenseitige Aufladen der Konduktoren immer mehr auf. 

Passiert eine geladene Platte die Kollektorbürsten, so findet ein Ladungsausgleich statt- dabei Laden sich die Leidener Flaschen bzw. die Eltkroden mut Funkenüberschlag langsam auf. Bei zu großer Spannung springt dann Ladung in Form eines kleinen Blitzes zwischen den Elektrodenkugeln über.

Ein ausführliches Video zur Erklärung der Funktionsweise findest du hier, eine kurze, aber sehr anschauliche Darstellung hier.

Mit der dargestellten Anordnung kann man die Wassertropfen, welche aus dem oberen Vorratsgefäß heraustropfen, elektrisch aufladen. Dazu wird z.B. der Pluspol der Hochspannungsquelle (ca. \(4\,\rm{kV}\)) mit dem oberen Tropfgefäß verbunden und der Minuspol der Quelle geerdet.

Das Auffanggefäß für die Tropfen kann entweder mit einem Elektroskop zur Ladungsmessung oder aber mit einem sehr empfindlichen Messverstärker zur Messung der Stromstärke verbunden werden.

Teilversuch 1: Zusammenhang zwischen Versuchsdauer und Ladung

1 Tröpfchenversuch mit einem Elektroskop zur Ladungsmessung zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Zeit und der geflossenen Ladungsmenge

Die Wassertropfen fallen in das untere Auffanggefäß, welches auf dem Kopf des Elektroskops steckt (der Messverstärker ist noch nicht angeschlossen). In der folgenden Animation ist der Versuchsablauf (vergröbert) dargestellt. Es werden davon ausgegangen, dass jeder Tropfen etwa die gleiche Ladung trägt. Bei konstanter Anzahl der Tropfen pro Zeiteinheit fließt also ein Strom konstanter Stärke vom oberen zum unteren Gefäß.

Aufgabe

Erläutere, welcher Zusammenhang die Animation zum ersten Teilversuch zwischen der in einer Zeitspanne \(\Delta t\) insgesamt geflossenen Ladungsmenge \(\Delta Q\) und der Zeitspanne \(\Delta t\) vermuten lässt.

Lösung

Da jeder Tropfen die gleiche Ladung trägt und die Tropfen gleichmäßig mit der Zeit tropfen, ist die insgesamt geflossenen Ladungsmenge \(\Delta Q\) proportional zur Versuchsdauer \(\Delta t\): \(\Delta Q \sim \Delta t\).

Teilversuch 2: Zusammenhang zwischen Stromstärke und Ladung

2 Tröpfchenversuch mit einem Messverstärker zur Messung der Stromstärke zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der geflossenen Ladungsmenge und der Stromstärke

Nun wird das Elektroskop durch einen Strommesser ersetzt. Meist verwendet man dazu einen empfindlichen Messverstärker mit Anzeigegalvanometer (in der Fotografie rechts).

Zunächst wird der Versuch mit konstanter aber niedriger Tropfenfrequenz (wie oben) durchgeführt. Der Strommesser zeige einen Ausschlag der relativen Größe 1 (im Realversuch pendelt der Zeiger des Strommessers um diesen Wert).

Nun verdoppelt man die Tropfenfrequenz und beobachtet wieder den Strommesser.

Aufgabe

Erläutere, welchen Zusammenhang die Animation zum zweiten Teilversuch zwischen der in einer Zeitspanne \(\Delta t\) insgesamt geflossenen Ladungsmenge \(\Delta Q\) und der Stromstärke \(I\) vermuten lässt.

Lösung

Der Versuch hat zwei Phasen:

Zuerst hat man nur wenige Tropfen pro Zeiteinheit, d.h. die Stromstärke ist gering; wir bezeichnen sie mit \(I_1\).

Danach hat man doppelt so viele Tropfen pro Zeiteinheit, d.h. die Stromstärke ist doppelt so groß; wir bezeichnen sie mit \(I_2 = 2 \cdot I_1\).

Würde man für beide Versuchsphasen jeweils die gleiche Zeit \(\Delta t\) abwarten, so würden in der zweiten Phase mit \(I_2 = 2 \cdot I_1\) doppelt so viele Tropfen herabfallen und damit die doppelte Ladung \(\Delta Q_2 = 2 \cdot \Delta Q_1\) transportiert wie in der ersten Phase. Somit liegt die Vermutung nahe, dass \(\Delta Q \sim I\).

Aufgabe

Fasse die Ergebnisse der beiden Teilversuche zusammen.

Lösung

Fasst man das Ergebnis des ersten und zweiten Versuches zusammen so ergibt sich\[\Delta Q \sim I \cdot \Delta t\;{\rm{bzw.}}\;I \sim \frac{{\Delta Q}}{{\Delta t}}\]Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit der von uns gewählten Festlegung für den Zusammenhang zwischen Ladung und Stromstärke mit dem Proportionalitätsfaktor 1.

Versuch: Ladungstrennung

Der folgende Versuch dient oft dazu, die Entstehung der Ladungstrennung in Gewitterwolken zu erklären, in denen Regentropfen und Eiskugeln (Hagel, Graupel, Schnee) mit großer Geschwindigkeit gegen den Aufwind der Wolke fallen. Im Versuch wird zuerst nur Bleischrot in einen Faradaybecher geschüttet und dann ein Gemisch aus Bleischrot und Schwefelpulver in den Faradaybecher geschüttet. Im Luftstrom wird das Schwefelpulver teilweise vom Bleischrot weggeblasen.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung des Versuchs

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Versuch: Metallkugel im inhomogenen Feld

Eine ungeladene Metallkugel befindet sich an einem Faden aufgehängt in einem inhomogenen elektrischen Feld zwischen einer Platte und einer Spitze. Dann wird die felderzeugende Spannung hochgeregelt.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung des Versuchs

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Aufbau, Durchführung und Beobachtung

1 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs mit einer Metallkugel in einem Plattenkondensator

Die Animation in Abb. 1 zeigt einen metallbeschichteten Tischtennisball, der an einer frei beweglichen Hantel zwischen die Platten eines Kondensators gebracht wird.

Aufgabe

Fertige eine beschriftete Schaltskizze an.

Beschreibe die Beobachtung.

Erkläre, wie der Ladungstransport abläuft.

Lösung

Eigene Lösung

Versuch 1: Segnerrad

Ein S-förmiges, metallisches Blech ist gut drehbar auf einer Spitze gelagert (Segnersches Rad) und mit einem waagrecht angebrachten motorgetriebenen Bandgenerator verbunden. Nun wird der Bandgenerator angetrieben.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 1

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

Versuch 2: Spitzenentladung

An der Kugelkappe eines Bandgenerators ist eine metallische Spitze angebracht. Direkt daneben brennt eine Kerze. Beobachte die Reaktion der Kerzenflamme nach dem Starten des Bandgenerators.

Aufgabe: Beobachtung und Erklärung von Versuch 2

Betrachten Sie das Video, beschreiben Sie den Versuch und erklären Sie ihn.

1 Warum klebt ein Luftballon am Pullover? Erkunde die Ladungen auf einem Pullover, einem Ballon und den Wänden.
1 Lass die Funken fliegen mit John Travoltage. Beobachte, wie Aufladung und Bewegungen seiner Hand ihn unterschiedlich schocken.
Druckversion