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2. Elektrostatisches Modell zum Ladungsgleichgewicht
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| bet | 1/2 | | Sana | 30.12.2019 | | Hajmi | 278 Kb. | | #6566 |
2. Elektrostatisches Modell zum Ladungsgleichgewicht
(Ladung –Spannung – Strom)
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V ersuch Nr. 2.1
Durch Reiben eines PVC-Kunststoffstabes mit einem Pullover aus einem anderem Material werden unterschiedliche Ladungen erzeugt. Die Ladung des Kunststoffstabes wird durch Abstreifen (Isolator!) auf ein elektrisch neutrales Elektroskop übertragen.
Beobachtung: Das Elektroskop zeigt einen starken Ausschlag.
Erklärung: Durch Reiben erzeugt man elektrische Aufladung. Auf dem PVC-Stab befindet sich die gleiche Ladung, die entgegengesetzte befindet sich auf dem Stoff, mit dem gerieben wurde. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Befinden sich gleiche Ladungen auf einem Stoff, auf dem sie sich bewegen können (Metalle), so nehmen sie Plätze ein, bei denen die Abstoßung am geringsten sind. Daher wird der bewegliche Zeiger des Elektroskops von der gleich geladenen Aufhängung abgestoßen.
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Aufladung, Ladung
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Versuch Nr. 2.2
N un wird das neutral geladene Elektroskop über ein Metallkabel mit einem Plattenkondensator verbunden. Der Plattenkondensator besteht aus einem Metallgestell, an dem zwei Metallplatten exakt parallel gegenüber aufgestellt sind. Eine Platte ist isoliert fest mit dem Gestell verbunden, die andere ist senkrecht zur ersten Platte beweglich und leitend mit dem Gestell verbunden.
Beobachtung: Das Elektroskop zeigt einen ziemlich schwachen Ausschlag, der erst nach etwa 4-5mal Reiben gleich groß ist wie beim ersten Versuch.
Erklärung: Die beim Reiben erzeugte Ladung verteilt sich auf dem Elektroskop und auf der isolierten Platte des Plattenkondensators. Dadurch sind die abstoßenden Kräfte zwischen dem Zeiger und der S-förmigen Aufhängung nicht mehr so groß wie beim ersten Versuch. Erst weitere (mehr) Aufladung erreicht gleiche Abstoßungskräfte.
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Ladungsverschiebung
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V ersuch Nr. 2.3
Aufbau wie bei Versuch 2, nun wird aber zusätzlich die nichtisolierte Platte mit der Erde verbunden.
Beobachtung: Das Elektroskop zeigt nun erst nach den 10-15. Mal etwa den gleichen Ausschlag wie bei Versuch 1.
Erklärung: Die Ladung auf der isolierten Platte zieht entgegengesetzte Ladung über die Erdleitung auf die Platte. Dadurch wird die Ladungsansammlung auf den Platten größer, die Ladung wird auf den Platten „kondensiert“ “ Plattenkondensator“. Sie fehlt daher am Elektroskop. Erst nach weiterer Ladungserzeugung durch Reiben und Abstreifen lädt sich das Elektroskop auf den Wert von Versuch 1 auf.
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Aufnahmevermögen für Ladung –
Kapazität
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Versuch Nr. 2.4
Wie Versuch 3, jedoch wird durch nur viermaligem Reiben und Abstreifen wenig Ladung auf den Plattenkondensator gebracht, so dass das Elektroskop gerade merklich ausschlägt. Anschließend wird die geerdete Platte von der isolierten Platte wegbewegt.
B eobachtung: Zieht man die Platten des Kondensators auseinander, so schlägt das Elektroskop sofort stark aus. Der Versuch ist umkehrbar und oft wiederholbar.
E rklärung: Um die bereits getrennten unterschiedlichen elektrischen Ladungen gegen die zwischen ihnen bestehende Anziehungskraft weiter zu trennen, ist die Zufuhr von Energie nötig. Das Elektroskop zeigt demnach nun die Spannung zwischen getrennten Ladungen auf dem Plattenkondensator an. Man kann das symbolisch durch Einzeichnen eines Bogens mit Sehne verdeutlichen.
Unter Spannung versteht man anschaulich und allgemein das Bestreben der Natur, Zustände unterschiedlicher Energie auszugleichen.
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Spannungs-erzeugung
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Versuch Nr. 2.5
E in Plattenkondensator mit eng stehenden Platten ist mit einem Elektroskop verbunden. Der Plattenkondensator wird aufgeladen. Anschließend werden die Platten des Kondensators auseinandergezogen, wodurch die Spannung zwischen den Platten weiter vergrößert wird. Zwischen die Platten wird mit einem Faden ein mit Metalllack überzogener Tischtennisball gehängt.
Beobachtung: Der Tischtennisball wird sofort zu einer Platten hin gezogen, prallt dort ab und pendelt zur anderen Platte und von dort wieder zurück. Der Vorgang wiederholt sich mehrfach mit allmählich abnehmender Geschwindigkeit.
Erklärung:
Zwischen den Platten besteht ein elektrisches Feld. Durch Influenz wird die Ladung auf dem Tischtennisball getrennt. Die Anziehungskräfte zwischen ungleichen Ladungen zur näheren Platte überwiegen die Anziehungskräfte der entfernten Platte. Dadurch wird der Tischtennisball zur näherliegenden Platte angezogen. (Entsprechendes gilt umgekehrt für die Abstoßungskräfte der gleichartigen Ladungen.)
Beim Berühren lädt sich der Ball vollständig mit der gleichen Ladung der Platte auf, wird danach von dieser abgestoßen und von der anderen Platte angezogen. Der Vorgang wiederholt sich an der anderen Platte mit der umgekehrten Ladung. Dabei wird elektrische Ladung von einer Seite zur anderen transportiert.
Die Bewegung elektrischer Ladung nennt man elektrischen Strom.
Wird viel elektrische Ladung in kurzer Zeit transportiert, so besitzt der elektrische Strom eine große Stromstärke. Entsprechend liegen kleine Stromstärken vor, wenn zum Transport der gleichen Ladungsmenge lange Zeit vergeht oder wenn gleicher Zeit nur wenig Ladung bewegt wird.
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Strom,
Stromstärke
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