Elektrostatik Grundlagen: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 19. September 2017, 07:39 Uhr

(Kursstufe > Das elektrische Feld)

Versuche und Beispiele

• 

  Was tun bei Gewitter und Blitz? (Video)
  Wie entstehen Blitze? (Video 3:15-5:00)

• 

  Ein Hai kann elektrische Felder fühlen.

• 

  Wie funktioniert eigentlich ein Laserdrucker?

• 

  Ein elektrischer "Zauberstab".

• 

  Ein "Schallplattengenerator".
  (Video des Versuchs)

• 

  Der Junge ist gerutscht.

• 

  Der Ballon klebt an der Wand! (Simulation)

Die Elektrostatik beschäftigt sich mit dem Phänomen von elektrischen Ladungen, die sich nicht bewegen. Vor allem mit der anziehenden oder abstoßenden Wirkung zwischen Ladungen. Bewegte Ladungen bilden einen elektrischen Strom zum Beispiel in einem Stromkreis.

Die Grundlagen der Elektrostatik lassen sich auch gut ohne den Begriff des elektrischen Feldes beschreiben, also mit einer Fernwirkungstheorie.

Beispiele

• Warum darf man an der Tankstelle kein Handy benutzen? (Wissen vor 8) (youtube.de; von "blackpirat2306 Subscribe my channel")

Anziehung und Abstoßung

• positive und negative Ladung
• Abhängigkeit von der Entfernung

Nachweismethoden

Das Elektroskop ist negativ geladen.

• Elektroskop

• Glimmlampe (Polung ist feststellbar)
• Kraftwirkung

atomare Vorstellung

Durch engen Kontakt sind negativ geladene Elektronen vom rechten auf den linken Gegenstand übergegangen.

• Reibungselektrizität
• Leitung in Leitern (z.B. Metallen) und Isolatoren

Ladungsverteilung bei Leitern

Versuch: Spitzenentladung

Aufbau

Auf der Kugel des Bandgenerators wird eine spitze Nadel angebracht. Diese wird nun auf die Flamme einer brennenden Kerze gerichtet, der Bandgenerator wird in Betrieb versetzt.

Beobachtung

Sobald man beginnt an der Apparatur zur kurbeln bewegt sich die Flamme weg von der Nadel, ähnlich wie bei einem leichten anpusten ebendieser. So schnell dieser Effekt in Kraft tritt, so schnell stellt er sich wieder durch Aufhören der Kurbelbewegung wieder ein.

Erklärung

• Vgl auch Versuche Uni Würzburg

Durch den Bandgenerator wird Ladung polarisiert, hierbei kann entweder eine starke positive oder negative Ladung entstehen. Der äußerste Punkt des Geräts, die Nadelspitze, hat eine sehr hohe Ladungsansammlung da die gleichnamigen Ladungen innerhalb der Kugel sich möglichst weit voneinander abstoßen und somit u.a. auf die Nadelspitze "gedrückt" werden. Dadurch ist das elektrische Feld in der Nähe der Spitze sehr stark. Es entsteht tatsächlich ein kleiner Luftstrom, da die Luft in unmittelbarer Nähe der Nadel ionisiert wird (je nach dem positiv oder negativ) und Nadel und Luft sich nun voneinander abstoßen, aufgrund der enstandenen Gleichnamigkeit der Ladung. Da hierbei ein Ladungsaustausch stattfindet ist der Effekt nicht von Dauer.

Versuch: Das Segnerrad

Aufbau

Bild:Das Segnerrad

Auf die Kugel des Bandgenerators wird ein dreizackiges Rad, das Segnerrad, angebracht; der Bandgenerator wird in Betrieb versetzt.

Beobachtung

Sobald man zu kurbeln beginnt dreht sich das Segnerrad. Die Rotationsrichtung ist entgegengesetzt der drei Nadelspitzen. Auch in diesem Versuch hält diese Beobachtung nicht viel länger an als gekurbelt wird.

Erklärung

Auch in dieser Konstruktion sammelt sich besonders viel negative positive bzw. negative Ladung in den drei Nadelspitzen an, da dies eine günstige Verteilung bei großen gleichnamigen Ladungen ist (s.o.). Ebenfalls findet eine Ionisierung der Luft in unmittelbarer Nähe der Nadelspitzen statt, wodurch sich wiederum Nadeln und Luft voneinander abstoßen. Der Unterschied hierbei ist jedoch, dass die Nadeln sich dieses mal bewegen können, das Rad wird in eine Drehbewegung entgegen der Nadelenden versetzt (==> Impulserhaltung).

elektrische Influenz

• Ladungsverschiebung bei Isolatoren und Leitern

• 

  Verschiebungspolarisation (elektrische Influenz): Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.

• 

  Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.

• 

  Orientierungspolarisation (elektrische Influenz): Haben die Moleküle ein elektrischen Dipol (zB Wasser)...

• 

  so werden die Moleküle gedreht.

• 

  Nach Außen ergibt sich das gleiche Ergebnis wie bei der Verschiebung der Elektronenhüllen.

• 

  Ladungsverschiebung (elektrische Influenz): Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  Ladungen verschoben.

• 

  Der Gegenstand ist nicht polarisiert.
  Es entsteht trotzdem ein elektrischer Dipol.

• Anziehung von geladenen und influenzierten Körpern

Abschirmung (Faradayscher Käfig)

Im Faradayschen Käfig kann das Elektroskop nicht influenziert werden.

Links

Videos

• Video: Was tun bei Gewitter und Blitz (WDR-Mediathek bis 05.05.2016)
• Video: Kann man einen Blitzschlag in einer Ritterrüstung überleben? (ARD Kopfball vom 17. April 2011)
• Video: Warum darf man an der Tankstelle kein Handy benutzen? (Wissen vor 8) (youtube.de; von "blackpirat2306 Subscribe my channel")
• Video über die Enstehung von Reibungselektrizität und Elektronenaffinität verschiedener Materialien: Triboelectric effect/series or triboelectricity (youtube: "RimstarOrg")
• Video über den Bau eines Elektroskops: How to make an electroscope (DIY) (youtube: "RimstarOrg")
• Video: Leuchtet eine Leuchtstofflampe unter einer Hochspannungsfreileitung? (youtube: "Hochspannungsblog")

Animationen

• Java-Applets zu Kräften, Influenz und Ladungstransport (Klaus Wetzstein)
• Simulation: Reibungselektrizität und Influenz bei einem Ballon (Phet interactive Simulations, University of Colorado Boulder)
• Animationen: Influenz, Ladungstransport, elektrostatische Kräfte (Klaus Wetzstein)

Gesamtdarstellungen

• Elektrostatik der Mittelstufe (Leifi München)
• Unterrichtsverlauf Grundlagen der Elektrizitätslehre (Karl-Heinrich Meyberg, Graf-Friedrich-Gymnasium Diepholz)

• Versuchsbeschreibungen und Skript: Elektrizität im Alltag und Experimentelle Physik in der Oberstufe (BG/BRG Lerchenfeld, Klagenfurt)
• Einführung in die Elektrizitätslehre (Didaktik der Physik, LM-Uni München)

• Der Energietransport durch elektrische Ströme und elektromagnetische Felder (Udo Backhaus, Praxis der Naturwissenschaften/Physik 36/3, 30 (1987))
  • Der Energietransport durch elektrische Ströme und elektromagnetische Felder in verschiedenen Darstellungen (Udo Backhaus, Uni Osnabrück)
• Broschüre zu "Elektrosmog" (Forschungsstelle für Elektropathologie, München)