Stundenprotokoll Physik

Stundenprotokoll Physik
Datum: 10.09.2007
Zeit: 08.00-09.35 Uhr
Kurs: PH Grundkurs
Abwesende: /
Protokollant: Mario Walter
Themen der Stunde:
1.)
2.)
3.)
4.)
Wiederholung
Besprechung der Hausaufgaben/ Arbeitsblätter
Versuch mit Bandgenerator und Auswertung
Hausaufgaben
1.) Zu Beginn der Stunde wiederholen wir einen Versuch der Vorstunde, bei dem ein
Glasstab an einem Ledertuch gerieben wird und der Glasstab anschließend an die
Metallkugel eines Elektroskops gehalten wird. Der Zeiger des Elektroskops stößt sich ab, da
Ladungen in einem Leiter durch elektrische Kräfte, die von anderen Ladungen ausgeübt
werden, verschoben werden. Besitzt der Glasstab zum Beispiel durch das Reiben am
Ledertuch einen Elektronenüberschuss, so stößt der „negativ geladene“ Glasstab die
Elektronen in der Metallkugel ab, so dass die Metallkugel einen Elektronenmangel aufweist
und folglich „positiv geladen“ ist. Die abgestoßenen Elektronen im Elektroskop wandern in
dessen unteren Bereich, wodurch dort ein Elektronenüberschuss entsteht. Dies erklärt
warum der Zeiger ausschlägt , da sich gleiche Ladungen, in diesem Fall die Elektronen,
abstoßen.
Dieses Phänomen, was bei diesem Versuch zu beobachten ist, heißt elektrische Influenz.
Vorgang der Influenz
1) Elektroskop
2) neutraler Körper
3) geladener Körper, der in die Nähe von 2) geführt wird.
2.) Als nächstes folgt die Besprechung der Hausaufgabe, die darin bestand, zu erklären,
wieso ein Luftballon nach Reibung an einem Tuch an einem Nicht-Leiter, zum Beispiel einer
Wand „kleben bleibt“. Zur Veranschaulichung wird eine mögliche Erklärung an der Tafel
skizziert:
Laut der Skizze links, müssten die Elektronen zur Wand „hinein
wandern“, sobald der Ballon die Wand berührt, da sich gleiche Ladungen
abstoßen. Solche Ladungsverschiebungen, die von anderen Ladungen
ausgeübt werden, würden bedeuten, dass der Versuch das Phänomen
der elektrischen Influenz beschreibt. Da es sich aber bei unseren
Materialien um zwei Nicht-Leiter handelt, kann der Versuch keine
elektrische Influenz sein. Die Elektronen in der Skizze können das Atom
gar nicht verlassen, wodurch diese Erklärung als Lösung ausscheidet.
Die Überlegungen, dass in Leitern die Elektronen frei beweglich sind, und in Nicht-Leitern die
Elektronen gebunden sind, führen zu einer zweiten Skizze:
Diese Skizze veranschaulicht einen Luftballon, der einen
Elektronenüberschuss hat. Bei Berührung mit der Wand, halten
sich die Elektronen in den Kugelwolken (Skizze vereinfacht) mit
großer Wahrscheinlichkeit auf der rechten Seite auf, seltener
dagegen auf der linken Seite. Die Kugelwolken drücken die
Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen aus. Innerhalb des
Atoms können sich die Elektronen nur verschieben, allerdings
nicht ablösen.
Dieses Phänomen, das wie beschrieben keine elektrische Influenz
darstellt, nennt man elektrische Polarisation (bei Nichtleitern/
Isolatoren).
Nach der Besprechung der Hausaufgaben ist der Kurs aufgefordert letzte Fragen zu den
bereits ausgeteilten Arbeitsblättern (Das elektrische Feld I: Diskrete Ladungsverteilungen) zu
klären.
Folgende Fragen sind aufgetaucht und beantwortet worden:
-
Was ist eine Diode? (AB 285 „2. Elektronen im Kreislauf“)
Wieso müssen es die Elektronen sein die „fließen“?
Die Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, die den Stromfluss oft nur in einer
Richtung gestatten. Für eine Diode wird sowohl eine Kathode (in der Skizze der Glühdraht), als auch
eine Anode benötigt. Eine Anode ist eine Elektrode, an der also eine Oxidationsreaktion stattfindet.
Sie ist die Gegenelektrode zur Kathode, welche Elektronen abgibt.
In dem Experiment Elektronen im Kreislauf „fliegen“ die Elektronen von der Kathode zur Anode aus,
was darauf schließen lässt, dass die Kathode Elektronen emittieren. Die Anode lassen Elektronen
nur in eine Richtung gewähren, wodurch das Experiment beweist, dass es die Elektronen
sein müssen, die sich bewegen.
-
Wie kann ich Ladungen messen?
(1) mit einem Messinstrument
(2) I = ΔQ / Δt
ΔQ = I * Δt, [Q] = 1 Ampere * 1 Sekunde = 1 C (Coulomb)
e = 1,602 * 10 -19 C
-
Wieviele Elektronen sind 1 Coulomb?
n = 1 C/ 1,602 * 10 -19 C = 6,24 * 1018 (unvorstellbar große Zahl)
Anzahl der Elektronen, die in einer Sekunde
bei einer Stromstärke von 1 Ampere „fließen“.
3.)
Bei einem Bandgenerator wird Kunststoff auf Gummi gerieben, was eine
Ladungstrennung mit sich bringt, und Elektronen auf der Kugel gesammelt
werden. Der Zeiger unseres Elektroskops, welches sich in der Nähe des
Bandgenerators befindet, schlägt aus, auch auf größere Distanz, was auf die
elektrische Influenz zurückzuführen ist. Ladungen üben also Kräfte aus, auch
auf uns Menschen. Durch Veränderung des Abstandes von Elektroskop zum
Bandgenerator können wir feststellen, dass die Kräfte mit der Entfernung
abnehmen.
Das Problem, welches sich nun stellt, ist wie die Kräfte nun überhaupt
übertragen werden. Dazu stellen wir verschiedene Vermutungen auf:
(1) über die Luft
(2) über ein elektrisches Feld
(3) über ein magnetisches Feld
Wenn die Luft leitend wäre, würde in unserem Experiment nichts passieren. Immer wenn die Luft
leitend wird, sehen wir Blitze, wie es bei einem Gewitter der Fall ist.
Eine weitere Möglichkeit wäre ein unbekannter Stoff, der die Kräfte überträgt. Allerdings können
solche unbekannten Stoffe bis jetzt nicht nachgewiesen werden.
Schlussendlich können wir uns die Kräfteübertragung anhand einer Modellvorstellung mit einem Feld
verdeutlichen.
Bei einem weiteren Versuch lädt ein Bandgenerator zwei Kugeln entgegengesetzt auf. Wenn wir nun
eine Probeladung q, zum Beispiel ein Watteflöckchen, auf eine dieser Kugeln werfen, so können wir
beobachten, dass sich das Flöckchen auf gekrümmten Bahnen von Kugel zu Kugel hin und her
bewegt. Folglich stellt sich die Frage wie diese Bewegung zu erklären ist.
Bei +Q erhalten die Flocken kleine positive, bei –Q negative Ladungen q. Während nun das
Watteflöckchen von der einen Kugel angezogen wird, wird es gleichzeitig von der anderen Kugel
abgestoßen. Die Probeladungen erfahren Feldkräfte tangential zu gekrümmten Linien, die
elektrische Feldlinien genannt werden.
Je nach Stellung der Probeladung resultiert daraus ein anderes Kräfteparallelogramm.
Die „Linien“, in denen sich das Watteflöckchen bewegt scheint eine vorgegebene Bewegungsrichtung
zu sein. Es scheint so, als würden Ladungen den Raum um sich herum verändern. Diese Veränderung
nennt man Feld. Offen bleibt allerdings noch, ob es sich um ein magnetisches oder elektrisches Feld
handelt. Wenn es sich tatsächlich um ein magnetisches Feld handeln sollte, so müsste sich eine
Magnetnadel in diesem Feld bewegen. Durch einen Versuch lässt sich zeigen, dass sich eine
Magnetnadel in diesem Feld nicht bewegt, wodurch wir ausschließen können, dass es sich um ein
magnetisches Feld handelt.
Bei einem weiteren Experiment mit Gries als Probeladung in Rizinusöl (Nicht-Leiter) lässt sich die
Feldstruktur weiter veranschaulichen. Zwischen zwei entgegengesetzten geladenen Kugeln herrscht
eine Spannung von 25000V. Wie auf dem Bild (unten) zu sehen, ordnen sich die Grieskörner in einer
bestimmten Ordnung an:
Die Frage die sich nun stellt ist, warum sie sich genau so anordnen?
Eine Skizze soll helfen dies zu veranschaulichen:
Aus den Experimenten lässt sich folgendes zusammenfassen:
-
die Linien sind bogenförmig
bei größerer Spannung werden die Feldlinien enger -> das elektrische Feld wird stärker
4.) Die Hausaufgabe zur nächsten Stunde besteht darin, im Cornelsen Buch auf Seite 240
nachzulesen und herauszuschreiben, welche Informationen man über die Feldlinien
entnehmen kann.
Taunusstein, 14.09.2007
Mario Walter