49a Ladung Ladungsverteilung

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Kartei 49: Ladung – Ladungsverteilung – Energie - Kapazität Lernkartei

49a	Ladung - Ladungsverteilung	21.11.20
Versuch 1: Durch Reiben eines PVC-Kunststoffstabes mit einem Pullover aus anderem Material werden unterschiedliche Ladungen erzeugt. Die Ladung des Kunststoffstabes wird durch Berühren und Abstreifen (Isolator!) auf ein elektrisch neutrales Elektroskop übertragen. Das Elektroskop schlägt fast voll aus. Wie kann man das erklären?
Versuch 2: Nun wird das neutral geladen 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. Der Versuch 1 wird wiederholt. Das Elektroskop zeigt einen deutlich schwächeren Ausschlag. Wie erklärt man den Unterschied zu Versuch 1?
Versuch 3: Aufbau wie bei Versuch 2, nun wird aber zusätzlich die nichtisolierte Platte mit der Erde verbunden. Das Aufladen (Versuch 1) wird wiederholt. Das Elektroskop zeigt nun erst nach den 10-15. Mal etwa den gleichen Ausschlag wie bei Versuch 1. Wie erklärt man den Unterschied zu Versuch 2?

49a	Ladung - Ladungsverteilung	21.11.20
Durch Zufuhr von Reibungsenergie 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 Abstoßungskräfte am geringsten sind. Daher wird der bewegliche Zeiger des Elektroskops von der Aufhängung abgestoßen.
Die beim Reiben erzeugte Ladung verteilt sich auf dem metallischen 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 durch mehrmaliges Reiben und Aufladen erreicht man die gleich großen Abstoßungskräfte wie in Versuch 1.
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. Die elektrische Ladung wird gespeichert.

49b	Ladung – Kapazität - Spannung	21.11.20
Mit welcher physikalischen Größe wird die Erscheinung elektrischer Kräfte verbunden? Mit welcher physikalischen Größe bezeichnet man Wirkung unterschiedlicher Ladung aufeinander?
Mit welcher physikalischen Größe bezeichnet man die Fähigkeit eines Kondensators elektrische Ladung zu speichern? Welche Einheit hat die elektr. Kapazität?
Welche Wirkung von elektrischen Kräften gibt es?
Versuch 4: Wie Versuch 3, jedoch wird durch nur viermaligem Reiben und Abstreifen nur wenig Ladung auf den Plattenkondensator gebracht, so dass das Elektroskop gerade merklich ausschlägt. Anschließend wird die geerdete Platte von der isolierten Platte weggezogen. Zieht man die Platten des Kondensators auseinander, so schlägt das Elektroskop sofort stark aus. Der Versuch ist umkehrbar und oft wiederholbar. Wie erklärt man den Unterschied zu Versuch 3?
Woran kann man die Art der elektrischen Ladung erkennen?

49b	Ladung – Kapazität - Spannung	21.11.20
Elektrische Kräfte entstehen durch elektrische Ladung Q. Unterschiedliche Ladungen bewirken elektrische Kräfte, auch Coulomb-Kräfte genannt.
Die Fähigkeit eines Kondensators, elektrische Ladung zu speichern, nennt man elektrische Kapazität C. Die Einheit ist das Farad, abgeküzt [F].
Unterschiedliche Ladungen bewirken Anziehungskräfte, gleiche Ladungen bewirken Abstoßungskräfte.
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 die Spannung zwischen getrennten Ladungen auf dem Plattenkondensator an. Man kann das symbolisch durch Einzeichnen eines Bogens mit einer gespannten Sehne verdeutlichen. Unter Spannung versteht man anschaulich und allgemein das Bestreben der Natur, Zustände unterschiedlicher Energie auszugleichen.
Ist die Spannung eines geladenen Körpers groß genug, so kann man die Ladung mit einer Glimmlampe sichtbar machen. Man hat die Ladungsart so festgelegt, dass gilt: Es leuchtet immer nur der negativ geladene Pol der Glimmlampe auf.

49c

Spannung – Energie - Strom

21.11.20

Versuch 5:Ein 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.

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 oft mit allmählich abnehmender Geschwindigkeit.

Wie erklärt man die Beobachtung?

Erkläre den gesamten Verlauf des Entladens des Systems bestehend aus Elektroskop, Kondensator und metallisiertem Tischtennisball unter Betrachtung des Energieflusses.

49c

Spannung – Energie - Strom

21.11.20

Zwischen den Platten besteht ein elektrische Feld. Durch Influenz wird die Ladung auf dem Tischtennisball getrennt. Die Anziehungskräfte von der näheren Platte der ungleichen Ladung überwiegen die Anziehungskräfte der entfernteren 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 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.

Im elektrischen Feld des Plattenkondensators ist Energie in Form getrennter elektrischer Ladung gespeichert. Um durch Influenz die neutrale Ladung auf dem metallisierten Tischtennisball zu trennen wird Energie benötigt. Diese Energie wird dem Kondensatorfeld entzogen. Die dabei entstehenden elektrischen Kräfte transportieren elektrische Ladung in Richtung des elektrischen Feldes. Dabei vermindert sich Spannung und damit die Energie des Gesamt-Systems, da die räumliche Trennung der Ladung verringert wird.

Durch den anschließenden Ladungsausgleich nach dem mehrfachen Hin- und Herpendeln wird der ursprünglich elektrisch neutrale Zustand des Systems selbstständig unter Energieabgabe wieder hergestellt. Die elektrische Energie wurde in Schall- und Wärmeenergie umgewandelt.

49d	Ladungsausgleich - Strom	21.11.20
Mit welcher physikalischen Größe wird der pro Zeit stattfindende Ladungsausgleich bezeichnet?
Welches Symbol_der_elektrischen_Stromstärke'>Symbol_der_elektrischen_Ladung'>Symbol verwendet man üblicherweise für die elektrische Ladung? Welche Einheit und welche Abkürzung hat die elektrische Ladung?
Welches Symbol verwendet man üblicherweise für die elektrische Spannung? Welche Einheit und welche Abkürzung hat die elektrische Spannung?
Welches Symbol verwendet man üblicherweise für die elektrische Stromstärke? Welche Einheit und welche Abkürzung hat die elektrische Stromstärke?
Welches Symbol verwendet man üblicherweise für die elektrische Kapazität? Welche Einheit und welche Abkürzung hat die elektrische Kapazität?

49d	Ladungsausgleich - Strom	21.11.20
Unter der elektrischen Stromstärke versteht man die Menge der elektrischen Ladung, die pro Sekunde transportiert wird.
Das Symbol der elektrischen Ladung ist meistens Q. Die Einheit für die elektrische Ladung ist das Coulomb. Die Abkürzung der Einheit ist [C]. C.A. Coulomb war französischer Physiker.
Das Symbol der elektrischen Spannung ist meistens U. Die Einheit für die elektrische Spannung ist das Volt. Die Abkürzung der Einheit ist [V]. A. Volta war italienischer Naturwissenschaftler.
Das Symbol der elektrischen Stromstärke ist meistens I. Die Einheit für die elektrische Stromstärke ist das Ampere. Die Abkürzung der Einheit ist [A]. A.M. Ampère war französicher Physiker.
Das Symbol der elektrischen Kapazität ist meistens C. Die Einheit für die elektrische Kapazität ist das Farad. Die Abkürzung der Einheit ist [F]. M. Faraday war britische Physiker.

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