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Einführung zum elektrischen Feld

Versuch zur Demonstration von Reibungselektrizität

Einleitung:
Das Phänomen der Reibungselektrizität ist schon seit der Antike bekannt. Damals rieb man Bernstein an Wolle und bemerkte die Anziehung von feinen Wollfäden. Der Name Elektrizität stammt von dem griechischen Wort für Bernstein (Elektron) ab. Man fasste alle Erscheinungen, die eine ähnliche Wirkung hatten unter dem diesem Namen zusammen.
Aufgabe: Was ist Bernstein?

Geräte:
aufgeblasener Luftballon, Haare, Wand des Physikraumes
Versuchsaufbau:
Siehe Foto bei der Versuchsbeobachtung!
Durchführung:
a) Zuerst wird der Luftballon kurz an den Haaren gerieben und anschließend in die Nähe der Haare gehalten.
b) Der Luftballon wird an der Wand gerieben, dann kurz an die Wand gedrückt und zuletzt los gelassen.
Beobachtungen: a) Die Haare werden von dem Luftballon angezogen.

b) Der Luftballon bleibt an der Wand hängen.


Versuchserklärung: Beim Reiben werden Elektronen von einem der beiden Körper auf den anderen übertragen. Auf dem einen herrscht danach ein Elektronenmangel - er ist also positiv geladen - und auf dem anderen ein Elektronenüberschuss - er ist also negativ geladen. Kunststoffe wie der Luftballon nehmen eher Elektronen auf, Wolle gibt eher Elektronen ab.
a) Der Luftballon ist deshalb negativ und die Wolle positiv geladen. Der negativ geladenen Luftballon kann die Haare anziehen, weil er in den Haaren eine Polarisation (Verschiebung von Elektronen in Isolatoren) der Ladung bewirkt. Diese führt dazu, dass die Haare angezogen werden.
b) Beim Luftballon an der Wand passiert das Gleiche. Der Luftballon ist negativ und die Wand positiv geladen. Dadurch ziehen sie sich gegenseitig an. Weil beide Isolatoren sind können die Ladungen auch nicht abfließen, so dass kein Ladungsausgleich stattfinden kann. Deshalb bleibt der Luftballon länger an der Wand hängen.

Der Bandgenerator

Die Reibungselektrizität kann wie wir gesehen haben zur Trennung von Ladungen verwendet werden. Mit Hilfe einer Maschine geht das noch viel besser, als mit Wolle und Luftballon. Diese Maschine ist der Bandgenerator. Der Bandgenerator hat folgenden Aufbau:

Konduktorkugel, Kunststoffband, zwei Matallbürsten und ein Motor als Antrieb.
Geräte:
Metallstab mit Papierstreifen am Ende, Glimmlampe.
Versuchsaufbau:
Siehe Foto bei der Versuchsbeobachtung!
Versuchsdurchführung:
Der Motor wird eingeschaltet und das Band wird mit einem Stück Schleifpapier aufgerauht. Dann lässt man den Motor ca. eine Minute laufen. Am Ende wird noch die Glimmlampe an die Konduktorkugel gehalten.
Versuchbeobachtung: Die hängenden Papierstreifen richten sich langsam auf. Vom Ende des Metallstabes stehen die Papierstreifen in alle Richtungen ab.


Die Glimmlampe leuchtet kurz an der Seite, mit der sie in der Hand gehalten wird, rötlich auf. Die andere Seite leuchtet nicht. Außerdem sieht mann, dass die Papierstreifen bei jedem Aufleuchten der Glimmlampe etwas zusammenfallen.

Versuchserklärung: Die Papierstreifen sind leitend mit der Konduktorkugel verbunden. Dadurch laden sie sich genauso auf. Weil sie alle gleich geladen sind, stoßen sie sich untereinander ab.
Eine Glimmlampe leuchtet immer nur auf der negativen Seite, d. h. die Konduktorkugel ist positiv geladen. Ein Teil des Elektronenmangels auf der Konduktorkugel wird durch Elektronenzufluss über die Hand durch die Glimmlampe ausgeglichen. Die Elektronen stammen aus der Erdung.


Funktionsprinzip des Bandgenerators: Die Konduktorkugel ist in ihrem Inneren mit der oberen Bürste verbunden. Bewegt sich das Kunststoffband an der oberen Bürste vorbei, so werden Elektronen auf das Band übertragen und nach unten abtransportiert. An der unteren Bürste werden die Elektronen in die Erde abgeleitet.
Die Konduktorkugel lädt sich durch die abgegegben Elektronen langsam positiv auf (Elektronenmangel).
Hinweis:
Es gibt auch Bandgeneratoren mit einem anderen Wirkungsprinzip, bei denen sich die Konduktorkugel negativ auflädt.

Influenz und Polarisation

Demonstration von Influenz:
Geräte:
Bandgenerator, kleine graphitbeschichtete Kugel an einem Faden
Versuchsdurchführung:
Die graphitbeschichtete Kugel wird in die Nähe der Konduktorkugel gehalten.
Versuchbeobachtung: Die Kugel wird von der Konduktorkugel angezogen.

Versuchserklärung:


Das Graphit ist ein Leiter. In ihm existieren frei bewegliche Elektronen. Durch die positiv geladene Konduktorkugel werden Elektronen angezogen. Sie bewegen sich zu der Seite der Kugel, die zur Konduktorkugel zeigt. Dadurch entsteht dort ein Elektronenüberschuss (negative Ladung) und auf der anderen Seite ein Elektronenmangel (positive Ladung). Auf beide Ladungen wirken Kräfte. Da aber die negative Ladung näher an der Konduktorkugel ist, wird sie stärker angezogen, als die positive Ladung auf der anderen Seite abgestoßen wird. Es kommt also zu einer Anziehung.

Demonstration von Polarisation: Geräte:
Bandgenerator, kleine Holundermark-Kugel an einem Faden
Versuchsdurchführung:
Die Holundermark-Kugel wird in die Nähe der Konduktorkugel gehalten.



Versuchbeobachtung: Die Kugel wird von der Konduktorkugel schwach angezogen.
Versuchserklärung:


Versuchsdurchführung:
Holundermark ist ein Isolator. In Isolatoren gibt es keine frei beweglichen Ladungen. Die Ladungen können sich nur innerhalb der Moleküle (Cellulose) ein Stück verschieben. Diesen Vorgang nennt man Polarisation. Die Elektronen verschieben sich also wieder so, dass die Seite der Moleküle in der Kugel negativ geladen ist, die zur Konduktorkugel zeigt. Die andere Seite der Moleküle ist negativ geladen. Auf beide Ladungen wirken wieder Kräfte. Da die negative Ladung näher an der Konduktorkugel ist, wird sie stärker angezogen. Es kommt auch hier zu einer Anziehung. Die Anziehung ist aber viel schwächer als bei der Influenz, weil die Polarisation nur eine partielle (teilweise) Ladungsverschiebung in den Molekülen darstellt.

Erstellt aus den Einsendungen von Y.A., L.H., A.N. und Herrn Ecker 2.11.2013
Die Zeichnungen wurden mit Inkscape gezeichnet.