Thema: Das Elektrische Feld

Protokoll vom 26.08.2005
Thema: Das Elektrische Feld
I. Definitionen
„Feld“: (aus Wikipedia „Feld“)
In der Physik heißt eine Ortfunktion, die jedem Raumpunkt P eine physikalische
Eigenschaft zuordnet, Feld. Bei physikalischen Feldern unterscheidet man zwischen:
a) Skalarfeldern zum Beispiel Luftdruck, Temperatur, Potentialfeld,...
b) Vektorfeldern zum Beispiel Elektrische Feldstärke, magnetische Feldstärke,
Erdbeschleunigung,...
Skalarfelder und Vektorfelder lassen sich weiterhin unterteilen in:
a) Zeitunabhängige Felder
1. Statische Felder: Es findet keine Energieänderung oder
Energiewandlung statt, Gleichgewichtszustand.
2. Stationäre Felder: Es finden Energieänderungen oder Umwandlungen
statt, Beharrungszustand.
b) Zeitabhängige Felder
„Influenz“: (aus Wikipedia „Influenz“)
Die Influenz ist die Ladungverschiebung innerhalb eines geladenen oder ungeladenen
Körpers. Sie gehört in den Bereich der Elektrostatik.
„elektrisches Feld“ (aus Wikipedia „Elektrisches Feld“)
Das elektrische Feld ist ein Feld, das durch seine Kraftwirkung auf einen geladenen
Körper definiert ist.
Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld, d.h. an jedem Raumpunkt ist es vollständig
durch seine Größe und durch seine Richtung
bestimmt.
II. Versuche
Versuch 1
Aufbau: Es wird ein Plattenkondensator
aufgestellt und ein graphitbeschichteter
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Tischtennisball wird an einem Faden hängend zwischen den Platten in Position
gebracht; nicht exakt in der Mitte, damit der Versuch auch gelingt.
Die beiden Platten werden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen (6000V), so
dass in unserem Versuch die linke Platte nun stark negativ geladen ist, die rechte
Platte stark positiv.
Skizze:
Beobachtung: Sobald die Stromquelle eingeschaltet wird, schwingt die Kugel nach
rechts, berührt die Kondensatorplatte und geht in eine Pendelbewegung zwischen den
beiden Kondensatorplatten über. Dieser Ablauf setzt sich solange fort, bis die
Stromquelle abgeschaltet wird.
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Phase 1:
Die in der Kugel enthaltenen negativen Ladungen werden
von den positiven Ladungen der rechten
Kondensatorplatte angezogen. Beim Kontakt lädt sich die
Kugel stark positiv.
Phase 2:
Die nun stark positiv geladene Kugel wird nun sowohl von
der rechten Platte abgestoßen, sowie von der linken, stark
negativ geladenen Platte, angezogen.
Phase 3:
Die Kugel lädt sich nun bei Kontakt mit der linken
Kondensatorplatte stark negativ, wird abgestoßen und
von der rechten Platte angezogen.
(Ladungsaustausch)
Phase 4:
Die nun stark negativ geladene Kugel wird beim Kontakt
mit der rechten Kondensatorplatte stark positiv geladen.
Ein Durchgang ist abgeschlossen.
(Periodischer Vorgang)
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Deutung des Starts der Kugel: Im
elektrischen Feld des Kondensators wirken
auf die ungeladene Kugel so genannte
„Bildkräfte“. Diese werden durch die
„Influenz“(s.o.) hervorgerufen. Auf die
geladene Kugel wirken im elektrischen Feld
abstoßende und anziehende Kräfte. Es
handelt sich um ein Modell für fließenden
Gleichstrom!
Versuch 2
Aufbau: Es werden zwei Metallgitter
übereinander in Position gebracht. Durch
Plastikblöcke wird sowohl verhindert, dass
sich die Gitter berühren oder eine leitende
Verbindung zum Tisch entsteht. Auf das
untere Gitter werden Schnipsel eines nicht
leitenden Stoffes, eines Isolators,
ausgebreitet. Beide Platten werden nun
wieder an eine Gleichstromquelle
angeschlossen. Das obere Gitter an den
(+) Pol, das untere an den (-) Pol.
Beobachtung: Nach Einschalten der
Stromquelle richten sich die Schnipsel
zwischen den beiden Platten senkrecht aus
und bilden teilweise sogar geschlossene
Verbindungslinien zwischen den Platten.
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Deutung: Anders als beim ersten Versuch, können Isolatoren keine Ladungen
transportieren. Aber sie können dipolarisiert werden. Dies bedeutet, dass die
Ladungen innerhalb des Isolators in Richtung der Pole ausgerichtet werden.
Skizze:
Versuch 3
Aufbau: Ein Plastikstab wird mit einem Tuch kräftig
gerieben und an ein Elektroskop gehalten.
Beobachtung: Bei Kontakt zwischen geriebenem Stab
und Elektroskop zeigt der Zeiger einen Ausschlag an.
Dies lässt sich auch beobachten wenn der Stab nur in die
Nähe des Elektroskops gehalten wird.
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Deutung: Durch das Reiben des
Stabes wird dieser statisch aufgeladen.
Dies bedeutet, dass auf seiner
Oberfläche Ladungsträger des
Materials, mit dem gerieben wurde,
haften bleiben, die wiederum auf dem
anderen Stoff jetzt fehlen
(Berührungselektrizität). In unserem
Fall ist der Stab negativ geladen.
Berührt man nun das Elektroskop,
fließen negative Ladungen auf das
Elektroskop. Die negativen Ladungen
sorgen für die Abstoßung des Zeigers,
der so einen Ausschlag anzeigt. Wird
das E. nicht berührt, so sorgt die
Influenz für einen temporären
Zeigerausschlag.
Mit 2 Stäben zeigen wir eine Wechselwirkung zwischen den Ladungen. Wir
verwenden einen Plastik und einen
Glasstab, da sich die beiden Materialien
unterschiedlich aufladen (Plastik negativ,
Glas positiv). Einer von beiden wird auf
einer Metallspitze gelagert, der andere wird
gerieben und an den gelagerten Stab
herangeführt. Der gelagerte Stab wird nun
durch anziehende Kräfte in Rotation
versetzt.
Ein Paradoxon bleibt. Bei 2 Glasstäben
hätte eine abstoßende Wirkung erzielt
werden müssen. Dies war nicht der Fall. Die
beiden Stäbe zogen sich weiterhin an.
Benedikt Hüppe
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