Das elektrische Feld
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Slide 1
Das elektrische Feld
Slide 2
Das elektrische Feld
E-Feld
Slide 3
Das elektrische Feld
E-Feld
Wirkung
des
Feldes
Slide 4
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
E-Feld
Faradays
Feldidee
Slide 5
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
E-Feld
Feldlinien
Faradays
Feldidee
Slide 6
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Gesetze
der Elektrostatik
E-Feld
Feldlinien
Faradays
Feldidee
Slide 7
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Kraft im
homogen
Feld
Faradays
Feldidee
E-Feld
Gesetze
der Elektrostatik
Feldlinien
Slide 8
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 9
Das elektrische Feld
Nachweis positiver und negativer Ladungen
mit der Glimmlampe.
Wie kann man Ladungen nachweisen?
Entladungen
Kraft auf andere Ladungen
Influenz
Ladungsmessung: Elektroskop
Slide 10
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 11
Das elektrische Feld
Faradays Feldidee
Der Raum ist geprägt.
Der Raum ist der Vermittler der Kraft.
Unterschied zwischen felderzeugenden
Ladung und Probeladung!
Eine Ladung kann auf sich selbst keine
Kraft ausüben.
Slide 12
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 13
Das elektrische Feld
Faradays Feldlinien
Die Feldlinien zeigen in jedem Raumpunkt in
Richtung der Kraft auf eine positive Ladung.
Feldlinien können sich nicht verzweigen
Versuch:
Feldlinienbilder
Folie: Feld zwischen einer positiven und negativen Ladung
Je dichter die Feldlinien, desto größer die elektr.
Kraft. Mechanische Model: Feldlinien versuchen sich gegenseitig
abzustoßen und zu verkürzen.
Auch im Innern von Leitern werden Ladungen durch
Felder bewegt.
Slide 14
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 15
Das elektrische Feld
Gesetze der Elektrostatik (alle Ladungen
ruhen)
Das Innere von Leitern muss bei ruhenden Ladungen
feldfrei sein.
Die Kräfte auf die Ladungen und damit die Feldlinien
müssen von der Leiteroberfläche senkrecht nach
außen zeigen.
Eine Ladung erfährt nur eine Kraft in einem
Fremdfeld, niemals im Eigenfeld.
Feldlinien beginnen an einer positiven und enden an
einer negativen Ladung
Spitzenwirkung: An einer Spitze verlaufen die Feldlinien dichter.
Feldlinienbilder
Slide 16
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 17
Das elektrische Feld
Kraft auf eine Probeladung im
homogenen Feld
Ein geladenes Kügelchen erfährt im
elektrischen Feld eine Kraft.
Versuch: Kügelchen im
Kondensator
Die Kraft ist der Ladung proportional.
Folie: Kraft auf eine Probeladung (Komponentenzerlegung)
Herleitung des Zusammenhangs: Auslenkung Kraft.
Slide 18
Das elektrische Feld
Herleitung des Zusammenhangs:
Auslenkung -Kraft.
Kugel wird ausgelenkt.
Kraft Fel nach rechts.
Gewichtskraft G = mg
Kräfteparallelogramm
Resultierende FR
Größen im Lageplan
Berechnungsformel
s
l s
2
2
Fe l
G
l
Fel
S
G
Slide 19
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 20
Das elektrische Feld
Definition des elektrischen Feldes:
E
Satz:
Der Quotient aus elektr. Kraft Fel und
Probeladung q bezeichnet man als elektr.
Fel Feldstärke E.
q
E ist ein Vektor und gleichorientiert wie die
Kraft auf eine positive Probeladung.
Die Einheit der elektr. Feldstärke:
E 1
Inhomogenes Feld
N
C
Slide 21
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 22
Das elektrische Feld
Slide 23
Eigenschaften
von Ladungen
Bei der Glimmlampe leuchtet
immer die Elektrode, die mit
dem Minuspol verbunden ist.
Entlädt man eine
geladene Kugel mit einer
Glimmlampe über Erde, so
kann man die Ladungsart
bestimmen.
Zurück zu Folie 9
Slide 24
Das elektrische Feld
Die positive Ladung in der
Mitte übt Kräfte auf die
beweglichen Ladungen aus.
+
+
-
Zurück zu Folie 9
Slide 25
Das elektrische Feld
A B
- +-
+
Zwei neutrale
Kugeln A und B
berühren sich.
Zwei neutrale Kugeln
K
+
Trenn en
--
+
+
A B
Ladungstrennung durch Influenz
Zurück zu Folie 9
Einer positiven Kugel
werden den beiden
Kugeln genähert
Trennt man jetzt
die Kugeln A und A
B, dann sind
B+
beide geladen.
Slide 26
Feldlinienbilder
Die Feldlinien beginnen an der positiven Ladung Q+ und
enden an der negativen Ladung Q-.
Die Feldlinien enden senkrecht an der Oberfläche an einer
Ladung.
Die Kräfte sind immer tangential zu den Feldlinien gerichtet.
Bei positiven Probeladungen zeigt die Kraft in Feldrichtung,
bei negativer entgegengesetzt
Mechanische Modell: Verkürzung führt zur Anziehung
Verlaufen die Feldlinien parallel, handelt es sich um ein
homogenes Feld.
Im Randbereich liegt ein inhomogenes Feld vor.
Da die Feldlinien an einer Ladung beginnen und enden,
müssen diese Ladungen fast ausschließlich an den
Innenflächen gebunden sein.
Mechanische Modell: Verkürzung führt zur Anziehung
Zurück: Gesetze der Elektrostatik
Weitere Bilder
Zurück: Faradays Feldlinien
Slide 27
Weitere Feldlinienbilder
Endet die Feldlinie an der Ladung Q-1 nicht senkrecht zu
Oberfläche, dann tritt neben der Normalkraft auch noch eine
tangentiale Kraftkomponente auf.
Die Ladung Q-1 bewegt sich in Pfeilrichtung. Es fließt ein
Strom.
Erst wenn nur noch die Normalkomponente wirksam ist,
kommt die Ladung zur Ruhe.
Der Ring ändert das Feldlinienbild zwischen den Platten.
Links wird negative Ladung an der Ringoberfläche
gebunden, rechts positive. Influenz!
Die Feldlinien enden und beginnen an der Oberfläche.
Das Innere ist feldfrei!
Zurück
Weitere Bilder
Slide 28
Feldlinienbilder: Influenz
Die punktförmige positive Ladung bindet an der Oberfläche der
geerdeten Metallplatte die gleichgroße negative Ladungsmenge.
Da die Feldlinien senkrecht auf der Platten enden müssen,
verlaufen die Feldlinien gekrümmt.
Da eine gleichgroße negative Ladung in gleicher Entfernung auf
der anderen Seite das symmetrische Feld hervorrufen muss, wirkt
die Platte für das gemeinsame Feldlinienbild wie ein Spiegel.
Die neutrale Kugel ändert den radialen Feldlinienverlauf der
großen positiv geladenen Kugel.
An der linken Seite werden durch die Feldkräfte negative
Ladungen gebunden. Feldlinien enden senkrecht an der
Oberfläche.
An der rechten Seite treten beginnend an positiven Ladungen
Feldlinien senkrecht aus der Oberfläche aus.
Trennt man die beiden kleinen Kugeln, so wird durch die Influenz
die eine positiv und die andere negativ geladen sein.
Zurück
Slide 29
Kraft auf Probeladungen im
homogenen Feld
• Die Probeladung q+ erfährt zwei
Teilkräfte.
• Sie wird von der positiven felderzeugenden Ladung abgestoßen.
Fel
+
-
• Gleichzeitig wird sie von der negativen
felderzeugenden Ladung angezogen.
• Die Resultierende zeigt tangential zum
elektr. Feld.
Slide 30
Versuch 1: Kügelchen im
Kondensator
Legt man an die Kondensatorplatten eine Spannung so erfährt
das ungeladene Kügelchen keine
Kraft.
Lädt man das Kügelchen auf, dann
wird es eine Kraft erfahren.
Stößt das Kügelchen an die Platte, dann gibt es seine
Ladung ab und nimmt Ladung mit entgegengesetztem
Vorzeichen auf.
Das Kügelchen pendelt zur anderen Platte und wieder
wechselt die Ladung ihr Vorzeichen.
Slide 31
Kraft auf Probeladung im
homogenen Feld
-
-F
el
F
el
F
el
F
el
2F
el
Die Kraftrichtung hängt von
dem Vorzeichen der
Probeladung ab.
Die gleiche Probeladung erfährt
im homogenen Feld überall die
gleiche Kraft.
Bei doppelter Probeladung ist
auch die Kraft doppelt so groß.
Slide 32
Inhomogenes Feld
Ra
Fe l
d ia
F
el
F
el
eFl
+
l es
Fe
ld
Fel
Im inhomogenen elektrischen Feld ist die
elektr. Kraft Fel in einem Punkt
proportional zur Probeladung q.
Der Quotient aus Kraft und Probeladung ist
von der jeweiligen Probeladung unabhängig, hängt aber vom Ort ab.
Fel
~
q
Fel
= k on st an t
q in Be trag und Richtung
Je weiter der Messpunkt im radialen Feld von
der felderzeugenden Ladung entfernt ist, desto kleiner wird der Quotient.
Slide 33
Erklärung: Bandgenerator
Das Gummiband G läuft über die Walzen
W1 (Glas) und W2 (Kunststoff).
Durch Berührungselektrizität lädt sich das
Band gegenüber Glas negativ und
gegenüber Kunststoff positiv auf.
Bringt man Metallkämme (K1, K2) nahe an
das Band so findet dort ein
Ladungsübergang statt.
Die obere Kugel wirkt wie ein Faradaykäfig.
Die negative Ladung verteilt sich über die
äußere Kugeloberfläche.
Durch die Spitzenwirkung von K1 und die
negative Aufladung der Walze springt
negative Ladung auf den Kamm und das
Gummiband wird umgeladen.
Auf der Kugel A wird durch Influenz die neg. Ladung nach unten auf K2
gedrängt. Da die innere Walze positiv geladen ist kommt es auch hier zu einer
Umladung der Oberfläche des Gummibandes.
Slide 34
Versuche: Bandgenerator
Erklärung:
Bandgenerator
Kräfte zwischen gleichnamigen und
ungleichnamigen Ladungen.
Wattebausch: Feldrichtung
Influenz: Ladungstrennung in der Nähe der
Bandgenerator-Kugel.
Ladungsmessung: Elektroskop
Slide 35
Eigenschaften von Ladungen
Ladung fließt von der
Konduktorkugel auf das
Elektroskop. Gleichmäßige Verteilung über die
gemeinsame Oberfläche.
Da sich gleichnamige
Ladungen abstoßen,
schlägt der bewegliche
Zeiger aus.
Satz:
-
-
-
-
-
-
Mit dem Elektroskop kann man ruhende
Ladungen nachweisen und vergleichen
Das elektrische Feld
Slide 2
Das elektrische Feld
E-Feld
Slide 3
Das elektrische Feld
E-Feld
Wirkung
des
Feldes
Slide 4
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
E-Feld
Faradays
Feldidee
Slide 5
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
E-Feld
Feldlinien
Faradays
Feldidee
Slide 6
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Gesetze
der Elektrostatik
E-Feld
Feldlinien
Faradays
Feldidee
Slide 7
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Kraft im
homogen
Feld
Faradays
Feldidee
E-Feld
Gesetze
der Elektrostatik
Feldlinien
Slide 8
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 9
Das elektrische Feld
Nachweis positiver und negativer Ladungen
mit der Glimmlampe.
Wie kann man Ladungen nachweisen?
Entladungen
Kraft auf andere Ladungen
Influenz
Ladungsmessung: Elektroskop
Slide 10
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 11
Das elektrische Feld
Faradays Feldidee
Der Raum ist geprägt.
Der Raum ist der Vermittler der Kraft.
Unterschied zwischen felderzeugenden
Ladung und Probeladung!
Eine Ladung kann auf sich selbst keine
Kraft ausüben.
Slide 12
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 13
Das elektrische Feld
Faradays Feldlinien
Die Feldlinien zeigen in jedem Raumpunkt in
Richtung der Kraft auf eine positive Ladung.
Feldlinien können sich nicht verzweigen
Versuch:
Feldlinienbilder
Folie: Feld zwischen einer positiven und negativen Ladung
Je dichter die Feldlinien, desto größer die elektr.
Kraft. Mechanische Model: Feldlinien versuchen sich gegenseitig
abzustoßen und zu verkürzen.
Auch im Innern von Leitern werden Ladungen durch
Felder bewegt.
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Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 15
Das elektrische Feld
Gesetze der Elektrostatik (alle Ladungen
ruhen)
Das Innere von Leitern muss bei ruhenden Ladungen
feldfrei sein.
Die Kräfte auf die Ladungen und damit die Feldlinien
müssen von der Leiteroberfläche senkrecht nach
außen zeigen.
Eine Ladung erfährt nur eine Kraft in einem
Fremdfeld, niemals im Eigenfeld.
Feldlinien beginnen an einer positiven und enden an
einer negativen Ladung
Spitzenwirkung: An einer Spitze verlaufen die Feldlinien dichter.
Feldlinienbilder
Slide 16
Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
Slide 17
Das elektrische Feld
Kraft auf eine Probeladung im
homogenen Feld
Ein geladenes Kügelchen erfährt im
elektrischen Feld eine Kraft.
Versuch: Kügelchen im
Kondensator
Die Kraft ist der Ladung proportional.
Folie: Kraft auf eine Probeladung (Komponentenzerlegung)
Herleitung des Zusammenhangs: Auslenkung Kraft.
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Das elektrische Feld
Herleitung des Zusammenhangs:
Auslenkung -Kraft.
Kugel wird ausgelenkt.
Kraft Fel nach rechts.
Gewichtskraft G = mg
Kräfteparallelogramm
Resultierende FR
Größen im Lageplan
Berechnungsformel
s
l s
2
2
Fe l
G
l
Fel
S
G
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Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
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Das elektrische Feld
Definition des elektrischen Feldes:
E
Satz:
Der Quotient aus elektr. Kraft Fel und
Probeladung q bezeichnet man als elektr.
Fel Feldstärke E.
q
E ist ein Vektor und gleichorientiert wie die
Kraft auf eine positive Probeladung.
Die Einheit der elektr. Feldstärke:
E 1
Inhomogenes Feld
N
C
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Das elektrische Feld
Wirkung
des
Feldes
Def. Der
elektr.
Feldstärke
Faradays
Feldidee
E-Feld
Kraft im
homogen
Feld
Feldlinien
Gesetze
der Elektrostatik
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Das elektrische Feld
Slide 23
Eigenschaften
von Ladungen
Bei der Glimmlampe leuchtet
immer die Elektrode, die mit
dem Minuspol verbunden ist.
Entlädt man eine
geladene Kugel mit einer
Glimmlampe über Erde, so
kann man die Ladungsart
bestimmen.
Zurück zu Folie 9
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Das elektrische Feld
Die positive Ladung in der
Mitte übt Kräfte auf die
beweglichen Ladungen aus.
+
+
-
Zurück zu Folie 9
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Das elektrische Feld
A B
- +-
+
Zwei neutrale
Kugeln A und B
berühren sich.
Zwei neutrale Kugeln
K
+
Trenn en
--
+
+
A B
Ladungstrennung durch Influenz
Zurück zu Folie 9
Einer positiven Kugel
werden den beiden
Kugeln genähert
Trennt man jetzt
die Kugeln A und A
B, dann sind
B+
beide geladen.
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Feldlinienbilder
Die Feldlinien beginnen an der positiven Ladung Q+ und
enden an der negativen Ladung Q-.
Die Feldlinien enden senkrecht an der Oberfläche an einer
Ladung.
Die Kräfte sind immer tangential zu den Feldlinien gerichtet.
Bei positiven Probeladungen zeigt die Kraft in Feldrichtung,
bei negativer entgegengesetzt
Mechanische Modell: Verkürzung führt zur Anziehung
Verlaufen die Feldlinien parallel, handelt es sich um ein
homogenes Feld.
Im Randbereich liegt ein inhomogenes Feld vor.
Da die Feldlinien an einer Ladung beginnen und enden,
müssen diese Ladungen fast ausschließlich an den
Innenflächen gebunden sein.
Mechanische Modell: Verkürzung führt zur Anziehung
Zurück: Gesetze der Elektrostatik
Weitere Bilder
Zurück: Faradays Feldlinien
Slide 27
Weitere Feldlinienbilder
Endet die Feldlinie an der Ladung Q-1 nicht senkrecht zu
Oberfläche, dann tritt neben der Normalkraft auch noch eine
tangentiale Kraftkomponente auf.
Die Ladung Q-1 bewegt sich in Pfeilrichtung. Es fließt ein
Strom.
Erst wenn nur noch die Normalkomponente wirksam ist,
kommt die Ladung zur Ruhe.
Der Ring ändert das Feldlinienbild zwischen den Platten.
Links wird negative Ladung an der Ringoberfläche
gebunden, rechts positive. Influenz!
Die Feldlinien enden und beginnen an der Oberfläche.
Das Innere ist feldfrei!
Zurück
Weitere Bilder
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Feldlinienbilder: Influenz
Die punktförmige positive Ladung bindet an der Oberfläche der
geerdeten Metallplatte die gleichgroße negative Ladungsmenge.
Da die Feldlinien senkrecht auf der Platten enden müssen,
verlaufen die Feldlinien gekrümmt.
Da eine gleichgroße negative Ladung in gleicher Entfernung auf
der anderen Seite das symmetrische Feld hervorrufen muss, wirkt
die Platte für das gemeinsame Feldlinienbild wie ein Spiegel.
Die neutrale Kugel ändert den radialen Feldlinienverlauf der
großen positiv geladenen Kugel.
An der linken Seite werden durch die Feldkräfte negative
Ladungen gebunden. Feldlinien enden senkrecht an der
Oberfläche.
An der rechten Seite treten beginnend an positiven Ladungen
Feldlinien senkrecht aus der Oberfläche aus.
Trennt man die beiden kleinen Kugeln, so wird durch die Influenz
die eine positiv und die andere negativ geladen sein.
Zurück
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Kraft auf Probeladungen im
homogenen Feld
• Die Probeladung q+ erfährt zwei
Teilkräfte.
• Sie wird von der positiven felderzeugenden Ladung abgestoßen.
Fel
+
-
• Gleichzeitig wird sie von der negativen
felderzeugenden Ladung angezogen.
• Die Resultierende zeigt tangential zum
elektr. Feld.
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Versuch 1: Kügelchen im
Kondensator
Legt man an die Kondensatorplatten eine Spannung so erfährt
das ungeladene Kügelchen keine
Kraft.
Lädt man das Kügelchen auf, dann
wird es eine Kraft erfahren.
Stößt das Kügelchen an die Platte, dann gibt es seine
Ladung ab und nimmt Ladung mit entgegengesetztem
Vorzeichen auf.
Das Kügelchen pendelt zur anderen Platte und wieder
wechselt die Ladung ihr Vorzeichen.
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Kraft auf Probeladung im
homogenen Feld
-
-F
el
F
el
F
el
F
el
2F
el
Die Kraftrichtung hängt von
dem Vorzeichen der
Probeladung ab.
Die gleiche Probeladung erfährt
im homogenen Feld überall die
gleiche Kraft.
Bei doppelter Probeladung ist
auch die Kraft doppelt so groß.
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Inhomogenes Feld
Ra
Fe l
d ia
F
el
F
el
eFl
+
l es
Fe
ld
Fel
Im inhomogenen elektrischen Feld ist die
elektr. Kraft Fel in einem Punkt
proportional zur Probeladung q.
Der Quotient aus Kraft und Probeladung ist
von der jeweiligen Probeladung unabhängig, hängt aber vom Ort ab.
Fel
~
q
Fel
= k on st an t
q in Be trag und Richtung
Je weiter der Messpunkt im radialen Feld von
der felderzeugenden Ladung entfernt ist, desto kleiner wird der Quotient.
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Erklärung: Bandgenerator
Das Gummiband G läuft über die Walzen
W1 (Glas) und W2 (Kunststoff).
Durch Berührungselektrizität lädt sich das
Band gegenüber Glas negativ und
gegenüber Kunststoff positiv auf.
Bringt man Metallkämme (K1, K2) nahe an
das Band so findet dort ein
Ladungsübergang statt.
Die obere Kugel wirkt wie ein Faradaykäfig.
Die negative Ladung verteilt sich über die
äußere Kugeloberfläche.
Durch die Spitzenwirkung von K1 und die
negative Aufladung der Walze springt
negative Ladung auf den Kamm und das
Gummiband wird umgeladen.
Auf der Kugel A wird durch Influenz die neg. Ladung nach unten auf K2
gedrängt. Da die innere Walze positiv geladen ist kommt es auch hier zu einer
Umladung der Oberfläche des Gummibandes.
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Versuche: Bandgenerator
Erklärung:
Bandgenerator
Kräfte zwischen gleichnamigen und
ungleichnamigen Ladungen.
Wattebausch: Feldrichtung
Influenz: Ladungstrennung in der Nähe der
Bandgenerator-Kugel.
Ladungsmessung: Elektroskop
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Eigenschaften von Ladungen
Ladung fließt von der
Konduktorkugel auf das
Elektroskop. Gleichmäßige Verteilung über die
gemeinsame Oberfläche.
Da sich gleichnamige
Ladungen abstoßen,
schlägt der bewegliche
Zeiger aus.
Satz:
-
-
-
-
-
-
Mit dem Elektroskop kann man ruhende
Ladungen nachweisen und vergleichen
