Das Elektrofeldmeter

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LK Physik 2005/07 1. HJ JMS - Gymnasium
Referent: Kapfer Simon
Das Elektrofeldmeter
Zweck und Verwendung
Das Elektrofeldmeter ist ein Instrument zur direkten Ausmessung elektrischer Felder- und Feldstärken. Bisher konnten elektrische Felder nur indirekt erfaßt werden, etwa durch Kraft auf eine
Probeladung, durch Bestimmen der Flächenladungsdichte oder durch Potentialmessung mittels
Flammensonde.
Funktionsweise
Die Feldlinien treffen senkrecht auf den Meßkopf auf. Vor der
eigentlichen Meßelektrode, die sternförmig ist befindet sich das
geerdete Chopperrad, das die gleiche Form besitzt und
gleichmäßig rotiert. Dadurch werden die Feldlinien, die auf den
Meßkopf treffen, durch die Rotation einmal mehr, einmal weniger stark von der Meßelektrode abgeschirmt (vgl. Veranschaulichung am Tageslichtprojektor). So wird auf der Elektrode proportional zur momentanen Feldstärke Ladung induziert. Diese
schwankt nun zwischen Null- und Maximalwert, es entsteht eine
Wechselspannung. Über einen Widerstand wird diese Spannung zur Erde hin abgeleitet, der auftretende Stromfluß mit
einem Amperemeter gemessen. Die Stromstärke ist proportional
zur Spannung und damit auch zum elektrischen Feld, das dadurch meßtechnisch erfaßt ist. Über
eine elektronische Schaltung schließlich wird die gemessene Stromstärke in eine Gleichspannung umgewandelt, die am Ausgang des Gerätes abnehmbar ist.
Versuche zum elektrischen Feld
a) Feld eines Plattenkondensators
Das Elektrofeldmeter wird in eine Bohrung in einem Plattenkondensator gesteckt und mißt dort
das nahezu homogene Feld im Kondensator.
Bei angeschlossener Spannungsquelle wird der Plattenabstand variiert:
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
4
5
6
Diagramm: x-Achse: Abstand in cm; y-Achse: Feldstärke in kV/cm
Aufgrund von E=U/d (indirekte Proportionalität) nehmen wir eine einfache Hyperbel als Verlaufskurve an (durchgezogener Graph). Die eingetragenen Meßwerte bestätigen dies.
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b) Feld einer Kugelladung
Eine Konduktorkugel wird elektrisch aufgeladen, danach von der Spannungsquelle getrennt.
Das Elektrofeldmeter wird auf Kugelhöhe gebracht und der Abstand zum Kugelmittelpunkt
variiert:
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
8
10
12
14
16
18
20
Diagramm: x-Achse: Abstand in cm; y-Achse: Feldstärke in kV/cm
Bei konstanter Ladung auf der Kugel erwarten wir gemäß dem Coulomb - Gesetz bei zunehmendem Abstand eine quadratische Abnahme der Feldstärke (durchgezogene Linie). Auch hier
stimmen die erzielten Meßwerte gut mit den theoretisch berechneten überein.
Spannungsmessung mit dem Elektrofeldmeter
Auch elektrische Spannung kann man mit dem Elektrofeldmeter messen. Hierzu wird auf den
Meßkopf eine Kondensatorplatte mit festem Abstand (d.h. bekannter Kapazität) geschraubt.
Da die erzeugte Feldstärke bei ansonst gleichen Bedingungen proportional zur angelegten
Spannung ist, kann diese nun gemessen werden. Diese Art der Spannungsmessung zeichnet sich
gegenüber herkömmlichen Voltmetern dadurch aus, daß zur Messung praktisch kein Strom abfließt (nur kurz zum Aufladen des Kondensatoraufsatzes). So kann man diese Konstruktion als
besonders hochohmiges Voltmeter betrachten.
Versuch: Ladungstrennung durch Reiben
Dank dieser Methode kann man nun Spannungen messen, die durch Aneinanderreiben von Isolatoren entstehen. Dies hat gegenüber dem Vorgehen mit dem Elektroskop den Vorteil, daß
nun auch das Ladungsvorzeichen bestimmt werden kann. Das Reibzeug wird nach dem Reiben
in einen Faraday - Becher gelegt und dessen Potential am Elektrofeldmeter gemessen. Dabei
werden folgende Ergebnisse erzielt:
Vorzeichen
Reibzeug
Reibzeug
Vorzeichen
________
Katzenfell -
Plexiglas
_______
________
Katzenfell -
Glas
_______
________
Katzenfell -
Bernstein
_______
________
Plexiglas
Glas
_______
________
Seidenlappen -
Bernstein
_______
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Luftballon
Wollpullover _______
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Metallkugel -
-
-
Katzenfell
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Quellen: Bedienungsanleitungen des Elektrofeldmeters; www.igb.fraunhofer.de