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PhysikSkript: Ladungen und deren Eigenschaften

  1. Existenz von 2 verschiedenen Ladungen, Abstoende und anziehende Krfte
  2. Gleichnamige Ladungen stoen sich ab!
  3. Die Funktionsweise des Elektroskop
  4. Neutralisation von Ladungen
  5. Ladungen in neutral geladenen Krpern?
  6. Das Elektronengasmodell elektrischer Leiter
  7. Leiter und Nichtleiter
  8. Kondensatoren als Ladungsspeicher
  9. Freie Beweglichkeit negativer Ladungen
  10. Influenz
  11. Die Influenzmaschine nach Kelvin
  12. Dipole
  13. Induzierte Dipole

Existenz von 2 verschiedenen Ladungen, Abstoende und anziehende Krfte

Experiment:
Ein Gefrierbeutel wird in mehrere Streifen geschnitten. Diese Streifen bestehen somit aus zwei Beutelwnden und somit zwei direkt aneinander liegenden Folien. Diese werden jeweils auseinander gezogen.

Nhert man die Folienhlften einander an, so lassen sich folgende Beobachtungen machen:

Schlussfolgerung:
Es gibt zwei verschiedene Arten von Ladung, die entweder anziehnd oder abstoende Krfte aufeinander ausben. Zur Unterscheidung bezeichnen wir sie mit "+" beziehungsweise mit "-".

Hypothesen:

=> Welche der beiden Hypothesen richtig ist, untersuchen wir im nchsten Abschnitt.

Zusammengefasst:

Gleichnamige Ladungen stoen sich ab!

Experiment:
Zwei Strohhalme werden an Zwirnfden befestigt. An diesen Zwirnfden knnen sie frei hngend aufgehngt werden. Zuvor werden die Strohhalme aber aufgeladen, in dem sie aneinandergedrckt durchs Haar gezogen werden. Sie haben also beide die gleiche Ladung.
Beobachtung
Lsst man die Strohhalme frei hngen, so stoen sie sich ab:

Schlussfolgerung:
Gleichnamig geladene Strohhalme stoen sich ab, deshalb wird die Hypothese 1.2 verworfen!

Zusammengefasst:

Die Funktionsweise des Elektroskop

Ein Elektroskop besteht aus einer Elektroskopplatte, einem Elektroskopstab und einem Zeiger, die leitend miteinander verbunden sind. Durch Kunststoff isoliert man sie so, dass ladungen nicht von diesen Bauteilen abflieen knnen.

Experiment und Beobachtung:
Wir legen eine geladene Folie auf ein Elektroskop und beobachten, dass der Zeiger des Elektroskops ausschlgt.

Erklrung:
Die Ladungen gehen von der geladenen Folie auf das Elektroskop ber und verteilen sich auf Platte, Stab und Zeiger.

Egal ob das Elektroskop dabei positiv oder negativ geladen wurde - in beiden Fllen sind Elektroskopstab und -zeiger gleichnamig geladen, und da sich gleichnamige Ladungen abstoen, schlgt der Zeiger aus.

Zusammengefasst:

Neutralisation von Ladungen

Ein Gefrierbeutelstreifen wird getrennt und die beiden Streifenhlften werden auf die Platten unterschiedlicher Elektroskope gelegt. => Diese schlagen aus...

... aber was passiert, wenn man die beiden Platten jetzt in Berhrung bringt?

Verblffenderweise geht der Ausschlag der Elektroskope zurck, nachdem ihre Platten miteinander in Berhrung gebracht wurden.

Erklrung:
Offenbar heben sich die Wirkungen positiver und negativer Ladungen auf, wenn sie zusammengefhrt werden.

Doch - vernichten sich die Ladungen dabei auch, wenn sie zusammenflieen? - Dieser Frage gehen wir im nchsten Abschnitt nach.

Zusammengefasst:

Ladungen in neutral geladenen Krpern?

Wenn sich zusammenflieende positive und negative Ladungen gegenseitig vernichten wrden, wren neutral geladene Krper ladungsfrei. Hierzu machen wir ein Experiment:

Experiment Wir pressen eine neutral geladene Folie auf ein neutral geladenes Elektroskop. Anschlieend ziehen wir die Folie von dem Elektroskop herunter.
Beobachtung und Erklrung: Das Elektroskop schlgt jetzt mit dem Herunterziehen der Folien aus! Wie lsst sich das erklren?
Offenbar besteht das neutral geladene Elektroskop nun doch aus positiven wie negativen Ladungen, die im Gleichgewicht sind. Durch das Herunterziehen der Folie nimmt die Folie offensichtlich einen Teil der einen Ladungen (z.B. der negativen) mit dadurch enthlt das Elektroskop einen berschuss an den Ladungen der anderen Sorte (hier z.B. positiv), wodurch es ausschlgt.

Experiment: Legt man jetzt die Folie auf ein weiteres, neutrales Elektroskop, so msste es die berschssigen Ladungen der Folie aufnehmen und dabei dann ebenfalls ausschlagen.
Das Experiment besttigt diese Vermutung.

Zusammengefasst:

Das Elektronengasmodell elektrischer Leiter

Wir haben durch obige Experimente festgestellt, dass es soetwas wie Ladungen gibt. Um beide Ladungs"arten" voneinander zu unterscheiden, haben wir sie mir + und - bezeichnet. Doch: Wie knnen wir uns diese Ladungen vorstellen? Was ist das, was in metallischen Krpern offenbar hin- und herflieen kann?

Eine Sache ist sicher: Wir knnen Ladungen selbst nicht sehen. Wir knnen eine Vorstellung davon entwickeln, wie man sich die Ladungen vorstellen knnten - diese Vorstellung ist aber nichts anderes als ein Modell. Mit Modellen versucht man in der Physik die Bereiche unserer Materiellen Umgebung zu beschreiben, die unseren Sinnen nicht zugnglich sind, die aber dennoch existieren.

Ladungen in metallischen Krpern werden durch das sogenannte Elektronengasmodell beschrieben:
Modellvorstellung:


Das Elektronengasmodell wird in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt:

Zusammengefasst:

Leiter und Nichtleiter

Krper/Stoffe besitzen die Eigenschaft der elektrischen Leitfhigkeit. Die Leitfhigkeit basiert auf mehr oder weniger beweglichen/freien Elektronen in einem Stoff.

Man klassifiziert:

  1. Leiter: Leiter knnen die Ladungen weiterleiten. Dazu mssen bewegliche Ladungstrger in einem Krper vorhanden sein, die Ladung transportieren knnen. Zu dieser Stoffgruppe zhlen die Metalle, wie zum Beispiel Eisen, Kupfer, oder Zink (etc.). Aber auch einige nicht metallische Stoffe knnen Ladungen leiten. Dazu gehren unter anderem Graphit oder Aktivkohle.
  2. Schlechte Leiter: Stoffe knnen die Ladungen nur bedingt leiten, also lediglich schwach, wie zum Beispiel Wasser und andere Lsungen.
    Andererseits fallen in diese Kategorie auch Stoffe, die elektrischen Strom z.B. in Abhngigkeit der Temperaturleiten; sprich Leiter und Isolatoren sein knnen.
  3. Nichtleiter/Isolatoren: Isolatoren knnen die Ladungen nicht weiterleiten, aufgrund ihrer atomaren/molekularen Struktur. Die Valenzelektronen liegen bei diesen Stoffen nicht "frei" vor, sondern befinden sich lediglich auf der Valenzelektronenschale des Atoms. Sie werden auf der Bahn um den Atomkern festgehalten und knnen im Gegensatz zu den Leitern nicht zum Ladungstransport beitragen. Typische Isolatoren sind Plastik, Styropor, Glas, usw.
    Man findet diese z.B. an Stromkabeln. So kann man auch bei anliegender Spannung das Kabel anfassen ohne mit dem Strom in Berhrung zu kommen.

Zusammengefasst:

Kondensatoren als Ladungsspeicher

Kondensatoren sind Speicher fr Ladungen. Sie bestehen aus zwei voneinander isoloierten, gegenberstehenden Platten. Die Platten werden geladen, indem man sie an den Minus- bzw. Pluspol einer Stromquelle anschliet:

Die Ladungen knnen aus dem Metall nicht austreten - sie werden auf den Platten gespeichert.

Neben den klassischen Kondensatorplatten gibt es viele unterschiedliche Bauweisen von Kondensatoren. Allen gemeinsam ist, dass sie aus je zwei Metallflchen bestehen: Aus einer Flche werden Negative, auf der anderen Flche die positiven Ladungen gespeichert.

Zusammengefasst:

Freie Beweglichkeit negativer Ladungen

Beim Elektronengasmodell sind wir wie selbstverstndlich davon ausgegangen, dass negative Ladungen in metallischen Leitern beweglich sind, whrend die positiven Ladungen an festen Positionen sitzen. Doch geht es nicht auch umgekehrt? Weshalb sollen ausgerechnet die negativen Ladungen beweglich sein?
Um dies festzustellen planen wir ein Experiment!

Experiment
Erhitzt man einen Glhdraht immer weiter, so bewegen sich die Atome, aus denen er besteht, immer schneller. Ab einer gewissen Temperatur bewegen sie sich so schnell, dass sie ihre festen Positionen im Drah verlassen und abdampfen: Der Draht vergast.
Bevor dies passiert mssten die frei beweglichen Ladungstrger den Draht verlassen - sie mssten fortlaufend von den sich bewegenden Atomen gestoen werden, bis zumindest einige von ihnen aus dem Draht geschleudert werden.

Weil die beweglichen Ladungen zuerst aus dem Draht geschleudert werden mssten, knnen wir mit dem folgenden Experiment prfen, ob sie negativ oder positiv geladen sind:

Links und rechts sind in der Abbildung die Platten eines Kondensators gezeigt. Aus dem Glhdraht treten freie Ladungstrger aus. Wren die Platten geladen wie in der Abbildung und htten die frei beweglichen Ladungstrger negative Ladung, so mssten sie sich in der Abbildung nach rechts bewegen, auf die rechte Platte treffen und ber das Strommessgert abflieen.
Wren die freien Ladungstrger dagegen positiv geladen, wrden sie nach links fliegen und man wrde keinen Strom messen. Erst, wenn man die Polung der Platte vertauscht, knnte man in diesem Fall einen Strom an Ladungen durch das Messgert feststellen.

Beobachtung und Schlussfolgerung: Das Strommessgert zeigt nur dann einen Ladungsfluss an, wenn die Platte auf der Seite des Strommessgertes positiv geladen ist. Das heisst, dass die Ladungen negativ sind, welche aus dem Glhdrat austreten und zur "+"-Platte hin beschleunigt werden. Ldt man die rechte Platte negativ auf, so zeigt das Messgert keinen Ladungsfluss an. Es treten demnach keine positiven Ladungstrger aus. Wir knnen also endgltig sagen:

Zusammengefasst:

Influenz

Experiment:
Eine geladene Folie wird der Platte eines neutral geladenen Elektroskops angenhert, ohne es zu berhren.
Beobachtung:
berraschenderweise schlgt das Elektroskop aus, ohne dass die Folie es berhrt und somit ohne, dass Ladungen auf das Elektroskop berspringen konnten. Entfernt man die Folie wieder, geht der Ausschlag wieder zurck. Wie lsst sich das erklren?

Erklrung:

Das Elektroskop ist anfangs neutral geladen. Nehmen wir an, die sich annhernde Folie wre positiv geladen. Dann werden wegen der elektrostatischen Anziehungskrfte viele der negativen Ladungen des Elektroskops nach oben auf die Platte gezogen. Dadurch fehlen sie jedoch im unteren Bereich des Elektroskops. Dort sind negative und positive Ladungen dann nicht mehr im Gleichgewicht, die positiven Ladungen berwiegen. Also stoen sich Elektroskopstab - und zeiger aufgrund der gleichnamigen Ladung ab und man beobachtet den Ausschlag.

Im Elektroskop werden also alleine durch die Anwesenheit der Folie positive und negative Ladungen getrennt. Diese Form der Ladungstrennung kommt besonders hufig vor. Man spricht daher von der Ladungstrennung durch Influenz.

Zusammengefasst:

Die Influenzmaschine nach Kelvin

Mit der Kelvin'schen Influenzmaschine lassen sich positive und negative Ladungen ohne ueres Zutun trennen. Sie funktioniert auf der Basis von Wassertropfen, die durch Metallrhren hindurchtropfen:

Die Hlsen und die Tropfen laden sich nach einiger Zeit so stark auf entgegengesetzt auf, dass die Wassertropfen zerbersten und wegen der elektrostatischen Anziehungskrfte deutlich sichtbar ihre Flugbahn ndern. So kann man zuerst zusehen, wie die Trpfchen so sehr abgelenkt werden, dass sie garnicht mehr unten im Metallbecher ankommen und dann etwas spter sogar noch beobachten, dass sie wieder "nach oben" fliegen weil die Feldstrke eine grere Kraft auf sie auswirkt als die Gravitation. Das folgende Video zeigt den eindrucksvollen Effekt. Statt einer Metallrhre wurde hier ein gebogener Draht verwendet. (Kelvinmaschine aufgebaut von Jendrik Seip)

VIDEO ZUR KELVIN-MASCHINE

Wie funktioniert die Kelvin-Maschine?
Im Idealfall gibt der Wasserhahn einen dnnen Wasserfaden ab, der in den Metallrhre in einzelne Tropfen abreit. Durch Zufall befindet sich in einen Wassertropfen des linken Wasserhahns geringfgig mehr negative Ladungen als positive. Das kann folgende Ursache haben: Wenn der Tropfen vom Wasserfaden abreit, kann es ein, dass zufllig einige Elektron zu viel mit abreien, welches dem Wasserfaden dann fehlt.

Fllt der Tropfen in den linken Metallbecher, so ld sich dieser negativ auf. Da er mit der rechten oberen Metallrhre verbunden ist, werden die Ladungen auf beide Krper gleich verteilt.

Wenn nun rechts oben das Rhrchen negativ geladen ist, dann gibt es einen INFLUENZEFFEKT: Jetzt werden, wegen der elektromagnetischen Abstoung, im rechten Wasserfaden Elektronen noch aus dem Wasserfaden zurck in die Leitung getrieben. Dadurch fallen rechts vermehrt Trpfchen mit positiver Ladung aus dem Hahn und diese landen dann in dem rechten unteren Becher.

Dieser ld sich also gleichfalls positiv auf. Genauso, wie das (durch das Kabel verbundene) obere linke Rhrchen. Auf der anderen Seite der Konstruktion, auf der linken Seite passiert also alles gleichzeitig wie rechts nur genau "umgekehrt": Wegen der positiven Ladung des Metallrohrs werden hier Elektronen aus den Wasserhahn in den Strahl gezogen. Die abreienden Tropfen sind dann allesamt negativ geladen und verstrken die negative Ladung des linken unteren Metallbechers.

Dies ist ein fortlaufend SELBSTVERSTRKENDER Effekt, der durch die Ladungstrennung unglaublich stark aufgeladene Metallbecher und - rhren erzeugen kann.

Tipp zum "Selberbauen": Die Maschine wrde auch ohne eine Startladung funktionieren, jedoch braucht man dafr etwas mehr Zeit. Wenn man sich nicht so sehr auf die Folter spannen will, gibt man einfach einem Becher eine geringe Startladung... Das kann sogar eine durch ein Katzenfell erzeugte Ladung sein.
--> wenig gengt bereits.

Zusammengefasst:

Dipole

Experiment: Wir halten eine negativ geladene Folie in die Nhe eines dnnen Wasserstrahls und beobachten, dass der Strahl offensichtlich von der Folie angezogen wird. Heit das, dass Wasser prinzipiell positiv geladen ist?
Zur Kontrolle halten wir jetzt eine positiv geladene Folie in die Nhe des Strahls. Wre Wasser immer positiv geladen, mssten sich Folie und Strahl jetzt abstoen. berraschenderweise beobachten wir aber, dass auch die positiv geladene Fole den Wasserstrahl anzieht. Wie lsst sich das erklren?

Wassermolekle bestehen aus zwei H-Atomen (Wasserstoff) und einem O-Atom (Sauerstoff). Weil das O-Atom die Elektronen des Molekls strker an sich bindet, ist das Molekl bei den H-Atomen positiv und beim O-Atom negativ geladen. Das Wasserstoffmolekl bildet einen sogenannten Dipol:

Ein Teilchen heit Dipol, wenn es zwar insgesamt neutral geladen ist, die Ladungen in ihm aber so verteilt sind, dass es zwei Pole besitzt.
Wie in der Abbildung dargestellt, drehen sich die Molekle im Wasser so, dass immer die entgegengesetzte Ladung der Folie nher ist. Somit wird der dnne Wasserstrahl in beiden Fllen angezogen.

Zusammengefasst:

Induzierte Dipole

Bei Wassermoleklen ist der dipolare Charakter - also die oben angesprochene Ladungsverteilung innerhalb des Molekls - naturgegeben. Dipole lassen sich aber auch von auen induzieren:

Experiment: Eine neutrale Aluminiumkugel wird an einem Zwirnfaden aufgehngt. Nhert man eine geladene Folie dieser Kugel an, ohne sie zu berhren, so wird die Kugel in Richtung der Folie gezogen.

Erklrung: Angenommen, die Folie ist positiv geladen. Dann werden die in der insgesamt neutralen Aluminiumkugel enthaltenen negativen Ladungen zur Folie hin gezogen. Die eine Hlfte der Kugel bekommt dadurch einen Elektronenberschuss, die andere einen Elektronenmangel. Die Kugel selbst wird somit zu Dipol - denn sie hat jetzt eine positiv und eine negativ geladene Hlfte.
Da die negativ geladene Hlfte nher an der positiv geladenen Folie ist, als die positiv geladene Hlfte, wird die Kugel angezogen.

Experiment: Auf einem Tisch liegende Grieskrner werden sowohl von einer negativ geladenen, als auch von einer positiv geladenen Folie angezogen.
Erklrung: Durch die Influenz verrcken die in den Grieskrnern fest sitzenden Ladungen etwas, wodurch kleine Dipole entstehen.

Zusammengefasst:

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