Experimente und Anwendungsbeispiele zur Elektrostatik für den Physik-Unterricht

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1 Experimente und Anwendungsbeispiele zur Elektrostatik für den Physik-Unterricht Innerhalb der Elektrizitätslehre gilt die Elektrostatik manchmal als weniger interessanter Teilbereich (z.b. im Vergleich zum Bau elektrischer Schaltungen). Mit der Zusammenstellung verschiedener Anwendungen mit Alltagsbezug sollen Möglichkeiten einer schülergerechten Aufbereitung der Elektrostatik aufgezeigt werden. Ein sehr alltägliches Phänomen: Haare kämmen (durch die Reibung mit dem Kamm werden die Haare und der Kamm elektrostatisch aufgeladen; die Abstoßung der Haare voneinander führt zu mehr Haarvolumen; Demonstration durch elektrostatisch aufgeladenen Luftballon) Fön mit Ionentechnologie soll die Wassertropfen im Haar zerstäuben und damit den Trocknungsvorgang beschleunigen ( Bandgenerator Mit einem Bandgenerator können hohe Spannungen erzeugt werden, die aber aufgrund der geringen Ströme ungefährlich sind (Foto: leipziger-messe.de) Für weitere Informationen siehe: LEIFIphysik.de -> Ladungen & Felder Mittelstufe -> Versuche -> Ladungen und Felder - Mittelstufe - Bandgenerator - Bandgenerator - Animation

2 Freihand-Experiment: Ablenkung eines Wasserstrahls mit einem geladenen Kamm Ablenkung eines Wasserstrahls mit einem elektrostatisch aufgeladenen Löffel (Foto und weitere Informationen:

3 Entstehung von Blitzen (auch elektrische Funken sind gefährlich: Entzündung eines Benzin- Luftgemisches an einer Tankstelle oder Zerstörung elektronischer Bauteile) Standbild aus dem YouTube-Video Frau an der Tankstelle, das die Entstehung eines Brandes aufgrund einer elektrostatischen Entladung zeigt ( v=wawwul2ywyw). Seit den grundlegenden Experimenten von Benjamin Franklin im 18. Jahrhundert hat es vielfältige Forschungsaktivitäten gegeben, um die Entstehung und Ausbreitung von Blitzen besser zu verstehen. Aber eine sehr wichtige Erkenntnis wurde erst in den 1990er Jahren durch einen falsch ausgerichteten Satelliten per Zufall gewonnen, nämlich dass Blitze häufig mit Gamma-Strahlung einhergehen. Das Thema liefert ein Beispiel dafür, dass es auch heutzutage Alltagsphänomene gibt, die noch zu einem großen Teil unverstanden sind (für weitere Beispiele siehe Die 10 verblüffendsten ungelösten physikalischen Rätsel, Ein wesentlicher Grund für die Schwierigkeiten ist in diesem Fall sicherlich die fehlende Möglichkeit zur Erzeugung von Blitzen im Labor, die mit den natürlichen Vorbildern vergleichbar sind. Erzeugung elektrischer Entladungen bei einer Plasmalampe (

4 Fotokopierer/Laserdrucker (nach Wikipedia) Die Elektrofotografie, Xerografie, oder das Elektrofaksimileverfahren ist ein foto-elektrisches Druckverfahren zum Vervielfältigen von Dokumenten. Dazu wird ein Fotoleiter mit dem optischen Abbild einer Vorlage belichtet, wodurch ein latentes Bild aus elektrischen Ladungen entsteht. An den geladenen Stellen bleibt Farbe in Form eines Toners haften, mit der anschließend eine Kopie der Vorlage gedruckt werden kann. Das heute ausschließlich gebräuchliche indirekte, trockene Verfahren benutzt fotoempfindliche Trommeln oder Bänder, deren Tonerbild nach der Entwicklung in Pulverform auf den Träger (Papier, Kopierfolie) übertragen und dort thermisch fixiert wird. Das Verfahren arbeitet mit trockenem Toner, es wird daher auch Xerografie (griechisch für trocken schreiben ) genannt. Elektrisches Fotokopieren (br.de: Telekolleg Physik - 3. Trimester)

5 Rauchgasfilter Röhren-Elektrofilter (aus Leifi) In der Achse der geerdeten, zylinderförmigen Niederschlagselektrode befindet sich eine sogenannte Sprühelektrode, die sehr stark negativ aufgeladen ist. Von dieser Sprühelektrode wandern aufgrund der Spitzenwirkung (ein Draht besitzt einen kleinen Krümmungsradius) Elektronen zur Niederschlagselektrode. Auf dem Weg dorthin treffen sie auf Gasatome, die sie ionisieren. Es befinden sich zwischen den Elektroden also negative Elektronen und positive Ionen. Beschreibung: Siehe Text. Gelangt nun ein staubeladener Gasstrom in diese Anordnung, so lagern sich Elektronen aber auch die positiven Ionen an den Staubteilchen an und laden diese somit auf. Die auf diese Weise positiv geladenen Staubteilchen wandern zur Sprühelektrode, die negativen Teilchen zur Niederschlagselektrode. Von Zeit zu Zeit muss der Staubniederschlag von den Elektroden entfernt werden, was z.b. durch Klopfen geschieht. Gegensatz zu mechanischen Filtern braucht man bei Elektrofiltern weniger Energie, um die Rauchgase durch das Filter zu treiben. Die Filter sind für den Einsatz in Kraftwerken geeignet, aber z.b. auch geeignet für Holzöfen ( und Autoabgase. Siehe auch Spiegel-Artikel Russwolken: die unterschätzten Klimakiller ; html Elektrostatische Materialtrennung

6 Elektrostatisches Lackieren (Foto: Aus Leifi-Physik ( Technik für jeden Winkel Elektrostatik hat unter allen Beschichtungsverfahren die höchsten Zeit- und Ersparnispotentiale. Die Elektrostatik-Technologie bringt bei filigranen Teilen, wie z.b. Stühlen, Zäunen, Profilen nachweisbare Verbesserungen in puncto Zeit- und Lackerspamis. Durch die elektrostatische Aufladung des Lacks folgen die einzelnen Lackpartikel den Feldlinien und legen sich um das Werkstück. Das bedeutet: je nach Objekt muß oft nur noch aus einer Richtung beschichtet werden und das Werkstück ist "rundum" lackiert. Hier ist die Zeitersparnis ein rechenbarer Vorteil, der mit bis zu 85 % zu Buche schlägt. Elektrostatik ist auch umweltfreundlich und kostensparend. Durch das gezielte Farbsprühen geht weniger Overspray verloren als bei anderen Beschichtungsverfahren, wie z.b. Hochdruck- Luftspritzen oder Airless. Damit spart der Anwender nicht nur Lack, sondern reduziert auch seine Entsorgungskosten und verlängert die Reinigungsintervalle der Abluftanlage.

7 Elektrostatische Motoren Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines weniger als 1 mm großen elektrostatischen Motors. (Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop) Lab on chip (Westentaschenlabor): Hochspannungslabor im Deutschen Museum in München: Vom Museum veröffentlichte Videoaufzeichnung einer Vorführung

8 Das Vorführprogramm ( Bei Wechselspannungen von 50 Hz werden gezeigt: a) mit dem Volt-Transformator Entladungs-Einsatz (Korona) und Spannungs-Durchschlag in Luft, Spannungs-Überschlag (Gleitentladungen) zwischen Glas und Luft, Schutzwirkung eines Faradayschen Käfigs, Spannungsmessungen mit einer Kugelfunkenstrecke, Verlauf elektrischer Feldlinien nach der Strohhalm-Methode; b) wandernde Lichtbögen; c) Kraftwirkung elektrischer Ströme. Mit dem Stoßgenerator bei Spannungsimpulsen bis zu 1 Million Volt und 50 millionstel Sekunden Dauer werden gezeigt: a) simulierte Blitzeinschläge in 1:25-Modelle von Kirche, Haus- und Freileitung sowie in Bäume (Holzstab); b) lautstarkes Verdampfen eines dünnen Drahtes. D. Gembris, Oelde, 28. Juli 2013