Experimentalphysikalisches Seminar II. Präsentationsversuch: Elektrisches Feld/Elektrostatik

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1 Experimentalphysikalisches Seminar II Präsentationsversuch: Elektrisches Feld/Elektrostatik Blitze über dem Maracaibo-See (Bild: NASA) Einleitung Das Elektrische Feld stellt ein zentrales Konzept der Physik dar und ist daher ein wichtiges Thema in der Oberstufe. In diesem Versuch sollen Sie sich auf die Elektrostatik konzentrieren und grundlegende Begriffe zum elektrischen Feld wie die elektrische Feldstärke, die Ladung und Kapazität eines Kondensators und deren Eigenschaften behandeln. Bildungsplan Gymnasium, Kursstufe

2 Sicherheitshinweise Vorsicht mit Hochspannung!! Hinweise zur Präsentation Die untenstehenden Versuche sollen Ihnen eine Hilfe sein, wesentliche Aspekte des Themas Elektrostatik behandeln zu können. Probieren Sie daher diese Experimente zunächst aus. Wählen Sie daraus aus, was Sie für die Präsentation als relevant erachten. Sie sind aber nicht auf diese Versuche festgelegt: Haben Sie alternative/weitere Ideen, die Sie für interessant, sinnvoll halten, können Sie jederzeit kreativ sein und weitere Versuche hinzufügen oder die unten vorgeschlagenen abändern. Anleitung zu den Versuchen: Demonstrationsversuch 1: Influenz und Ladungserhaltung Material: Elektrometer, Faraday scher Käfig, Kunststoff-Stäbe (Ladungserzeuger), Ladungslöffel, Kabel Teil 1A: Aufladung durch Berührung und durch Influenz 1. Verbinden Sie das Elektrometer mit dem Faraday schen Käfig wie in Abb. 1 zu sehen ist. Erden Sie Elektrometer und Käfig durch Drücken der ZERO Taste. 2. Der Messbereich des Elektrometers wird auf 100 V eingestellt

3 3. Es gibt zwei Kunststoff-Stäbe mit einer runden Oberfläche am Ende, von welchen eine weiß und die andere blau gefärbt ist. Reiben Sie die beiden Flächen aneinander, um sie durch Ladungstrennung elektrostatisch aufzuladen. 4. Legen Sie einen der Stäbe weg und führen Sie anschließend den anderen aufgeladenen Stab in den Käfig, ohne diesen zu berühren. Beachten Sie dabei den Elektrometerausschlag. 5. Wenn Sie den Stab nun wieder aus dem Innenraum des Käfigs entfernen, sollte der Elektrometerausschlag wieder auf null zurückgehen. Frage: Warum wurde eine Potentialdifferenz zwischen Käfig und geerdetem Schild registriert, während sich der Stab im Innenraum des Käfigs befand? 6. Berühren Sie nun den Käfig mit dem geladenen Stab und entfernen Sie den Stab anschließend wieder. Frage: Warum wird nun dauerhaft eine Potentialdifferenz zwischen Käfig und Schild registriert? Woher kommt die zusätzliche Ladung auf dem Käfig? 7. Erden Sie den Käfig und das Elektrometer noch einmal und führen Sie den Stab erneut in den Käfig. Ist jetzt immer noch ein Elektrometerausschlag zu sehen? Teil 1B: Ladungserhaltung 1. Laden Sie die Oberflächen auf den Stäben elektrostatisch auf. 2. Nutzen Sie den Faraday schen Käfig, um die Menge der auf den beiden Stäben befindlichen Ladung nacheinander zu messen. Fragen: Welche Zusammenhänge erkennen Sie bezüglich Ladungsmenge und Polarität der beiden Stäbe? Bleibt hierbei die Ladung erhalten? 3. Entfernen Sie die gesamte Ladung von den Stäben, beispielsweise durch Berühren des geerdeten Schildes. 4. Reiben Sie nun die Stäbe im Käfig aneinander, ohne diesen zu berühren und beachten Sie dabei den Elektrometerausschlag. 5. Entfernen Sie zunächst nur einen der beiden Stäbe. 6. Tauschen Sie nun beide Stäbe, so dass sich nun der andere Stab im Inneren des Faraday schen Käfigs befindet und betrachten dabei jeweils den Elektrometerausschlag. Frage: Wie können Sie anhand dieses Experiments die Ladungserhaltung demonstrieren? Sonstige Vorschläge für Experimente 1. Wiederholen sie Teil A mit dem anderen Stab. 2. Reiben Sie die Oberfläche des weißen (blauen) Stabs an dem Ladungslöffel und messen Sie im Anschluss, die auf dem Stab befindliche Ladungsmenge. Welche Aussagen über die Polarität können Sie machen? Demonstrationsversuch 2: Kondensatoren und Dielektrika Material: Elektrometer, Faraday scher Käfig, Kunststoff-Stäbe, Ladungslöffel, Kabel, Spannungsquelle, Variabler Plattenkondensator, Sphäre Das Ziel der folgenden Versuche ist es, die Beziehung zwischen Ladung, Spannung und Kapazität experimentell nachzuweisen. Dabei wird immer eine der Größen konstant gehalten, während die zweite Größe variiert und die dritte gemessen wird. Die Kapazität eines Plattenkondensators ist gegeben durch: - 3 -

4 C = ε 0 ε r A d Wobei A die Fläche der Kondensatorplatten, d den Abstand der Platten, ε 0 die elektrische Feldkonstante und ε r die materialspezifische relative Permittivität bezeichnet. Auch der Einfluss der Permittivität auf die Kapazität soll experimentell demonstriert werden. Teil 2A: Messung von V, Q variabel, C konstant 1. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wird der Plattenkondensator mit dem Elektrometer verkabelt. Das Elektrometer wird über die Erdungsbuchse geerdet. Die Sphäre wird an die Spannungsquelle über den 2000V-Anschluss angeschlossen. Beachten Sie, dass der Kondensator weit genug von der Sphäre und der Spannungsquelle entfernt steht, um den Einfluss der Influenz zu minimieren Erden Sie das Elektrometer. Der Anschluss am Kondensator mit der schwarz markierten Krokodilklemme ist der geerdete Anschluss (Erdung über Elektrometer). Der Plattenabstand sollte ca. 2 mm betragen. 4. Nutzen Sie den Ladungslöffel, um Ladung von der Sphäre auf die nicht geerdete Kondensatorplatte zu übertragen. Beachten Sie dabei, dass Sie immer die gleiche Stelle auf der Sphäre und der Kondensatorplatte berühren, damit immer die gleiche Ladungsmenge übertragen wird. Frage: Warum reicht es aus, immer nur eine Kondensatorplatte zu berühren? 5. Beobachten Sie dabei die Elektrometeranzeige. Frage: Welchen Zusammenhang gibt es hier zwischen Ladung und Spannung bei konstanter Kapazität? Sonstige Vorschläge für Experimente: Verdoppeln Sie den Plattenabstand und wiederholen Sie das Experiment. Was passiert jetzt mit dem Potential? Vergleichen Sie die Werte mit den vorherigen. Teil 2B: Messung von Q, C variable, U konstant 1. Verbinden Sie die Spannungsquelle über den 2000V-Anschluss mit dem Kondensator. Stellen Sie einen Plattenabstand von 6 cm ein. Nun muss nur noch der Faraday'sche Käfig mit dem Elektrometer verkabelt werden (vgl. Abb. 3)

5 2. Nutzen Sie den Ladungslöffel, um die Ladung an unterschiedlichen Orten auf der nichtgeerdeten Kondensatorplatte zu bestimmen (auch am Außenrand). Berühren Sie dafür zunächst eine Stelle auf der Kondensatorplatte, anschließend den Faraday schen Käfig und betrachten Sie dabei den Elektrometerausschlag. Frage: Was können Sie über die Ladungsverteilung auf der Kondensatorplatte sagen? 3. Wählen Sie einen festen Punkt, welcher ungefähr mittig auf der Kondensatorplatte liegt und messen Sie die Ladung an dieser Stelle bei unterschiedlichen Plattenabständen. Frage: Welchen Zusammenhang gibt es hier zwischen Ladung und Kapazität bei konstanter Spannung? Teil 2C: Messung von Q, U variabel, C konstant 1. Wie im vorherigen Versuchsteil wird die Spannungsquelle an dem Kondensator (d = 6 cm) angeschlossen. Jedoch diesmal über den 3000V-Anschluss. Der Faraday'sche Käfig wird wieder mit dem Elektrometer verbunden (s. Abb. 4) - 5 -

6 2. Messen Sie die Ladung auf dem Kondensator wie im vorherigen Versuch mithilfe des Ladungslöffels in der Mitte der Kondensatorplatte. 3. Variieren Sie nun die Spannung, indem Sie den Kondensator über den 2000V-Anschluss (und später den 1000V-Anschluss) mit der Spannungsquelle verbinden. Messen Sie wieder die Ladung und vergleichen Sie das Ergebnis mit der vorherigen Messung. Frage: Welchen Zusammenhang gibt es hier zwischen Ladung und Spannung bei konstanter Kapazität? Teil 2D: Messung von U, C variabel, Q konstant 1. Wie in Abb. 5 dargestellt ist, wird der Plattenkondensator an das geerdete Elektrometer angeschlossen. Die Kabel, die von der Spannungsquelle wegführen (30 V und com ), werden vorerst nicht angeschlossen, sondern immer nur kurzzeitig an die Kondensatorplatten gehalten, um sie aufzuladen. 2. Stellen Sie einen Plattenabstand von ca. 2 mm ein und laden Sie den Kondensator auf. Das com - Kabel sollte dabei an die geerdete Platte gehalten werden. 3. Vergrößern Sie den Plattenabstand und notieren Sie sich dabei die Spannungswerte auf der Elektrometeranzeige. Frage: Welchen Zusammenhang gibt es hier zwischen Spannung und Kapazität bei konstanter Ladung? Anmerkung: Alternativ können Sie auch die Sphäre elektrostatisch aufladen und mithilfe des Ladungslöffels auf den Kondensator übertragen. Teil 2E: Dieletrika Wenn ein Dielektrikum zwischen die Platten eines Kondensators geschoben wird, erhöht sich die Kapazität des Kondensators proportional zur relativen Permittivität des Dielektrikums ε r, welche eine materialspezifische, dimensionslose Konstante darstellt. Wenn das Dielektrikum den gesamten Zwischenraum des Kondensators ausfüllt, gilt: - 6 -

7 C mit = ε r C ohne 1. Genau wie im vorherigen Aufbau wird der Plattenkondensator an das geerdete Elektrometer angeschlossen, während die Spannungsquelle genutzt wird, um den Kondensator aufzuladen (vgl. Abb. 5). Damit ausreichend Platz zum Einschieben des Dielektrikums ist, sollte ein Plattenabstand von ca. 3 cm gewählt werden. 2. Laden Sie den Kondensator, mit den zwei losen Kabeln auf, welche an die Spannungsquelle angeschlossen sind. Nutzen Sie nur Dielektrika, die nicht elektrostatisch aufgeladen sind! 3. Führen Sie das Dielektrikum zwischen die Kondensatorplatten und betrachten Sie dabei die Änderung auf der Elektrometeranzeige. Achten Sie beim Einschieben des Dielektrikums darauf, dass es nicht elektrostatisch aufgeladen wird. 4. Wiederholen Sie das Experiment mit mehreren Unterschiedlichen Dielektrika und vergleichen Sie ihre Ergebnisse. Frage: Mit diesem Experiment können unterschiedliche Materialien auf ihre elektrische Durchlässigkeit überprüft und miteinander verglichen werden. Es können allerdings keine quantitativen Rückschlüsse auf die relative Permittivität gezogen werden, wieso nicht? - 7 -