Naturwissenschaften - Physik - Äquipotentialflächen 4 Der elektrische Leiter als Äquipotentialfläche Experiment von: Phywe Gedruckt: 04..203 7:00:46 intertess (Version 3.06 B200, Export 2000) Aufgabe Aufgabe Wie verändert ein elektrischer Leiter ein elektrisches Feld? Untersuche, wie sich das elektrisches Feld zwischen zwei Kreiselektroden verändert, wenn in das Feld ein elektrischer Leiter (hier: eine Stabelektrode) eingebracht wird:. Bestimme das Potential der Leiterfläche in dem elektrischen Feld. 2. Vermesse den Potentialverlauf des elektrischen Feldes zwischen den zwei Elektroden, insbesondere in der Umgebung der Leiterfläche. 3. Erschließe den Verlauf der elektrischen Feldlinien. Raum für Notizen Wenn Sie als Lehrer angemeldet sind, finden Sie nachstehend eine Schaltfläche für Zusatzinformationen. - -
Zusätzliche Informationen Lernziel In diesem Versuch untersuchen die Schüler, wie sich das inhomogene elektrische Feld zwischen zwei Kreiselektroden verändert, wenn in das Feld ein elektrischer Leiter (Stabelektrode) eingebracht wird. Das Experiment soll zeigen, dass elektrische Leiter aufgrund von Ladungsverschiebungen stets eine Äquipotentialfläche eines elektrischen Feldes darstellen und Feldlinien stets senkrecht zu ihrer Oberfläche verlaufen. Vorkenntnisse Vor Durchführung des Versuches sollten die Schüler mit Äquipotentiallinien und dem Feldlinienbild vertraut sein. Ihnen sollte bekannt sein, dass eine elektrische Spannung einer Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten eines elektrischen Feldes entspricht und dass sich ein solches Feld durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden aufbaut. Hinweise zur Durchführung Wenn zwischen Kohlepapier und Polycarbonat-Platte noch Durchschlagpapier und weißes Papier gelegt werden, lassen sich die Messpunkte mit der Stricknadel auf das weiße Papier durchdrücken. Das Kohlepapier kann dann mehrfach verwendet werden. Für eine symmetrische Feldverteilung müssen die Elektroden guten Kontakt zur Widerstandsfläche (Kohlepapier) haben. Es sollte daher vor Vermessen des Feldes überprüft werden, dass beide Elektroden gleichmäßig fest aufgedrückt sind und zuvor mit einem Bleistift eine leitende Graphitschicht an den Stellen der Elektroden auf das Kohlepapier aufgetragen wurde. Das Digitalmultimeter, das zur Spannungsmessung verwendet wird, sollte einen hochohmigen Innenwiderstand (> 0 MΩ) besitzen. Ansonsten würde im Messkreislauf auf dem Kohlepapier zwischen Kathode (0 V) und Stricknadel ein Strom fließen, der das elektrische Feld auf dem Kohlepapier und damit die Potentialmessung verfälscht. - 2 -
Material Material Material aus "TESS advanced Physik Set Äquipotentiallinien und elektrisches Feld, ÄQU" (Bestellnr. 5250-88) Position Material Rasterplatte (6 cm x 2 cm) Bestellnr. 3002-00 Menge 2 Universalhalter 3024-3 2 3 Polycarbonat-Platte 3027-05 4 Elektrodenhalter 3027-24 5 Kreiselelektroden 3027-24 2 6 Stabelektrode 3027-24 7 Stricknadel 06342-00 8 Krokodilklemmen 07274-03 3 9 Spezial-Kohlepapier 3027-29 (Reicht für 30 Zuschnitte) Zusätzliches Material 0 Netzgerät (0...2 V -/2 A, 6 V ~,2 V ~/5 A) 3505-93 Digitalmultimeter 0722-00 2 Verbindungsleitungen (25 cm, rot) 07360-0 2 3 Verbindungsleitungen (25 cm, blau) 07360-04 2 4 weicher Bleistift Für das Experiment benötigte Materialien - 3 -
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Aufbau Aufbau Um einen Eindruck vom experimentellen Aufbau zu bekommen, betrachte Abb.. Abb. Zur Vorbereitung dieses Versuches gehe wie folgt vor: Setze die beiden Universalhalter so auf die Lochrasterplatte, dass die Polycarbonat-Platte gerade dazwischen Platz findet (Abb. 2). Abb. 2 Drehe die Schrauben aus beiden Haltern ganz heraus und schraube dann den Elektrodenhalter mit ihnen an den Haltern fest (Abb. 3-4). Abb. 3 Abb. 4 Schneide ein Stück Kohlepapier in einer Größe von 30 mm x 00 mm zurecht und lege es auf die Polycarbonat-Platte (Abb. 5-6). - 5 -
Abb. 5 Abb. 6 Lege die beiden Kreisektroden unter die äußeren Rändelschrauben. Drücke sie durch Drehen der Schrauben gleichmäßig fest. Abb. 7 Zeichne danach die Umrisse der Elektroden auf das Kohlepapier, löse die Rändelschrauben ein wenig und ziehe das Kohlepapier noch einmal heraus (Abb. 8). Male die markierten Felder mit einem weichen Bleistift sorgfältig aus (Abb. 9). Durch das Graphit des Bleistifts wird ein besserer Kontakt zwischen Elektroden und Kohlepapier hergestellt, so dass sich bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden im leitenden Kohlepapier ein messbares elektrisches Feld ausbreitet. Abb. 8 Abb. 9 Schiebe das Kohlepapier zurück in seine ursprüngliche Lage, setze die Elektroden wieder auf die nun ausgemalten Flächen und drücke sie mit den Rändelschrauben fest auf das Kohlepapier (Abb. 7). Verbinde die beiden Elektroden mit den Ausgängen des Netzgerätes (Abb. ). Verbinde das Digitalmultimeter sowohl mit einem Ausgang (0 V) des Netzgerätes als auch mit der Stricknadel (Abb. 0-). Sobald auf dem Kohlepapier ein elektrisches Feld vorhanden ist und die Stricknadel das Papier berührt, misst das Messgerät die Spannung zwischen dem Berührungspunkt und dem verbundenen Ausgang des Netzgerätes. Liegt dieser Ausgang bei 0 V, so entspricht die gemessene Spannung dem Potential im - 6 -
Berührungspunkt. Zur Erinnerung: Eine elektrische Spannung entspricht einem Potentialunterschied zwischen zwei Punkten. Abb. 0 Abb. - 7 -
Durchführung Durchführung Schalte das Netzgerät an und stelle eine Gleichspannung von 0 V ein. Halte die Spitze der Stricknadel an beide Elektroden und überprüfe, ob ihre Potentialwerte 0 V bzw. 0 V betragen (Abb 2-3). Falls es erforderlich sein sollte, verändere die eingestellte Gleichspannung am Netzgerät. Abb. 2 Abb. 3 Befestige die Stabelektrode unter der mittleren Rändelschraube, so dass sie auf der Symmetrieachse zwischen den beiden Kreiselektroden liegt (Abb. 4). Sie dient in diesem Versuch als elektrisch leitende Fläche im elektrischen Feld der Kreiselektroden. Markiere die Position der Stabelektrode auf dem Kohlepapier durch Umranden mit dem Bleistift (Abb. 5). Abb. 4 Abb. 5 Taste die Stabelektrode mit der Stricknadel ab und vermesse ihr Potential an verschiedenen Stellen (Abb. 6). Abb. 6-8 -
Drehe die Stabelektrode um einen Winkel von ungefähr 45 Grad gegen die Ausgangsposition (Abb. 7). Vermesse erneut ihr Potential an verschiedenen Stellen (Abb. 8). Abb. 7 Abb. 8 Finde für verschiedene Potentialwerte jeweils acht Punkte auf dem Kohlepapier, die diesen Potentialwert aufweisen. Taste dafür das Kohlepapier mit der Spitze der Stricknadel ab und markiere die Punkte mit dem Bleistift (Abb. 9). Beginne mit einem Potentialwert von V und fahre danach in Schritten von V fort. Abb. 9 Nach Abschluss der Messung, lockere die Schrauben und ziehe das Kohlepapier heraus. - 9 -
Auswertung Auswertung Verbinde mit dem Bleistift die Punkte gleichen Potentials zu Äquipotentiallinien und beschrifte jede Linie mit dem zugehörigen Potentialwert. Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes werden auf dem Kohlepapier eingezeichnet. Frage Welchen Potentialwert weist die elektrische Leiterfläche (Stabelektrode) vor der Drehung auf? Das Potential an verschiedenen Stellen der Leiteroberfläche ist stets konstant. Befindet sich der Leiter auf der Symmetrieachse des elektrischen Feldes, so beträgt das Potential des Leiters 5 V, da die Symmetrieachse dieses Feldes der Äquipotentiallinie bei 5 V entspricht. Frage 2 Wie wirkt sich die Drehung der Leiterfläche auf ihr Potential aus? - 0 -
Verdreht man den Leiter, so bildet sich auf ihm weiterhin eine Äquipotentalfläche bei 5 V aus. Erst eine Verschiebung des Leiters würde auch eine Änderung des Potentialwertes bewirken. Frage 3 Existiert im Inneren der Leiterfläche ein elektrisches Feld? Da die gesamte Leiterfläche auf dem gleichen Potential (5 V) liegt, existiert zwischen je zwei Punkten der Leiterfläche kein Potentialunterschied, also keine elektrische Spannung. Damit existiert in dem Leiter kein elektrisches Feld. Frage 4 Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials ist auf bewegliche negative Ladungsträger zurückzuführen. Liegt keine Spannung an den Kreiselektroden an, so herrscht in Inneren der Leiterfläche kein elektrisches Feld. Beim Einschalten der Spannung wird auch der Leiter zunächst - -
von dem elektrischen Feld der Kreiselektroden durchdrungen. Welche Wirkung hat dieses elektrische Feld auf die beweglichen negativen Ladungsträger und was geschieht mit dem Feld? Beim Einschalten des Netzgerätes baut sich zunächst im Leiter das elektrische Feld auf. Aufgrund des Feldes werden die beweglichen negativen Ladungsträger verschoben. Durch die Verschiebung der negativen Ladungsträger bleiben positive Ladungsträger zurück und es baut sich ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung zum ursprünglichen Feld auf. Es werden so lange negative Ladungsträger verschoben, bis sich im Inneren des Leiters beide Felder kompensieren und der Leiter damit feldfrei wird. Frage 5 Zeichne fünf Feldlinien des elektrischen Feldes, das sich zwischen den beiden Kreiselektroden ausbilden würde, wenn keine zusätzliche Leiterfläche vorhanden wäre. Ignoriere dazu die Leiterfläche und die zuvor gezeichneten Äquipotentiallinien. Zeichne die Feldlinien als gestrichelte Linien von der Anode (0 V) zur Kathode. Überlege, warum sie an der Anode (0 V) in gleichem Abstand beginnen sollten. - 2 -
Die Leiterfläche verändert das elektrische Feld zwischen den Kreiselektroden, d.h. sie ändert den Äquipotential- und Feldlinienverlauf. Als Ausgangspunkt soll zunächst das vom Leiter unbeeinflusste Dipolfeld der Kreiselektroden in Form fünf gestrichelter Feldlinien gezeichnet werden (Abb. 20). Die Linien werden an der Anode (0 V) noch in gleichem Abstand gezeichnet, was eine konstante Feldstärke in diesem Bereich impliziert. Abb. 20 Berücksichtige nun, dass die tatsächlichen Feldlinien aber senkrecht zu den gezeichneten Äquipotentiallinien verlaufen müssen. Zeichne den veränderten Verlauf der zuvor gezeichneten Feldlinien. Die tatsächlichen Feldlinien verlaufen senkrecht zu den Äquipotentiallinien. In der näheren Umgebung des Leiters weichen sie daher vom gestrichelten Verlauf ab, so dass sie senkrecht auf die leiterfläche treffen (Abb. 20). Abb. 20-3 -
Frage 6 Warum müssen die Feldlinien senkrecht auf die Leiterfläche treffen? Da der Leiter eine Äquipotentialfläche darstellt, müssen die Feldlinien folglich senkrecht zur Leiteroberfläche verlaufen. - 4 -