4 Der elektrische Leiter als Äquipotentialfläche Aufgabe

Naturwissenschaften - Physik - Äquipotentialflächen
4 Der elektrische Leiter als Äquipotentialfläche
Experiment von: Phywe
Gedruckt: 04.11.2013 17:00:46
interTESS (Version 13.06 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:
1. 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
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Zusatzinformationen.
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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 (> 10 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.
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Material
Material
Material aus "TESS advanced Physik Set Äquipotentiallinien und elektrisches
Feld, ÄQU" (Bestellnr. 15250-88)
Position
Material
Bestellnr. Menge
1
Rasterplatte (16 cm x 21 cm)
13002-00
1
2
Universalhalter
13024-13
2
3
Polycarbonat-Platte
13027-05
1
4
Elektrodenhalter
13027-24
1
5
Kreiselelektroden
13027-24
2
6
Stabelektrode
13027-24
1
7
Stricknadel
06342-00
1
8
Krokodilklemmen
07274-03
3
9
Spezial-Kohlepapier
13027-29
1
10
Netzgerät (0...12 V -/2 A, 6 V ~,12 V ~/5 A) 13505-93
1
11
Digitalmultimeter
07122-00
1
12
Verbindungsleitungen (25 cm, rot)
07360-01
2
13
Verbindungsleitungen (25 cm, blau)
07360-04
2
14
weicher Bleistift
(Reicht für 30 Zuschnitte)
Zusätzliches Material
1
Für das Experiment benötigte Materialien
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Aufbau
Aufbau
Um einen Eindruck vom experimentellen Aufbau zu bekommen, betrachte Abb. 1.
Abb. 1
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 130 mm x 100 mm zurecht und lege
es auf die Polycarbonat-Platte (Abb. 5-6).
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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. 11).
• Verbinde das Digitalmultimeter sowohl mit einem Ausgang (0 V) des Netzgerätes als auch
mit der Stricknadel (Abb. 10-11). 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
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Berührungspunkt. Zur Erinnerung: Eine elektrische Spannung entspricht einem
Potentialunterschied zwischen zwei Punkten.
Abb. 10
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Abb. 11
Durchführung
Durchführung
• Schalte das Netzgerät an und stelle eine Gleichspannung von 10 V ein. Halte die Spitze
der Stricknadel an beide Elektroden und überprüfe, ob ihre Potentialwerte 0 V bzw. 10 V
betragen (Abb 12-13). Falls es erforderlich sein sollte, verändere die eingestellte
Gleichspannung am Netzgerät.
Abb. 12
Abb. 13
• Befestige die Stabelektrode unter der mittleren Rändelschraube, so dass sie auf der
Symmetrieachse zwischen den beiden Kreiselektroden liegt (Abb. 14). 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. 15).
Abb. 14
Abb. 15
• Taste die Stabelektrode mit der Stricknadel ab und vermesse ihr Potential an verschiedenen
Stellen (Abb. 16).
Abb. 16
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• Drehe die Stabelektrode um einen Winkel von ungefähr 45 Grad gegen die
Ausgangsposition (Abb. 17). Vermesse erneut ihr Potential an verschiedenen Stellen
(Abb. 18).
Abb. 17
Abb. 18
• 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. 19). Beginne mit einem Potentialwert von
1 V und fahre danach in Schritten von 1 V fort.
Abb. 19
• Nach Abschluss der Messung, lockere die Schrauben und ziehe das Kohlepapier heraus.
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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 1
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?
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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
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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 (10 V) zur Kathode. Überlege, warum sie an der Anode (10 V)
in gleichem Abstand beginnen sollten.
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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 (10 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
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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.
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