Elektrostatik - weitensfelder.at

Elektrostatik
(Lehre von den ruhenden elektrischen Ladungen)
Schon um 500 v.Chr. entdeckte Thales von Milet, daß Bernstein, der mit einem Tuch
gerieben wird, sehr kleine Körper anzieht. Diese Kräfte in der Natur, die übrigens mit
der Gravitationskraft nichts zu tun haben, heißen „elektrische Kräfte“. Der Name
kommt vom griechischen Wort „elektron“, was „Bernstein“ heißt.
So wie Bernstein benehmen sich auch Körper aus Kunststoff, Glas,......
Wir führen den folgenden Versuch durch:
Grundversuch zur Elektrostatik
Wir reiben zwei Hartgummistäbe mit Wolle. Einen davon hängen wir an einem Faden
auf, den anderen nähern wir dem hängenden Stab. Es zeigt sich, daß der am Faden
leicht drehbare Stab dem herannahenden Stab ausweicht.
Wenn wir den Versuch ein wenig abändern, nämlich daß wir dem geriebenen
Hartgummistab jetzt einen mit Leder geriebenen Glasstab nähern, dann bewegt sich
der Hartgummistab nicht weg - sondern dazu!
Erklärung:
Beim Reiben (enge Berührung) gehen Elektronen (e ) von einem Körper, z.B. Wolle, von selbst auf
einen anderen Körper über – hier von der Wolle auf den Hart-gummistab.
Der Hartgummistab hat nun einen Elektronenüberschuß – das bezeichnet man als „negative
Ladung“.
Die Wolle hat bei diesem Vorgang Elektronen verloren, sie hat somit einen Elektronenmangel –
genannt „positive Ladung“.
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Wo kommen die elektrischen Ladungen her?
Aus dem Atom.
Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Die Atome
bestehen aus Kern und Hülle. Im Kern sind positiv
geladene Kernteilchen, die Protonen.
Die Hülle besteht aus negativ geladenen Elektronen.
Kern und Hülle sind weit voneinander weg- im
Vergleich wie die Planeten von der Sonne. Die Masse
der Elektronen ist verglichen zur Masse der Protonen
sehr gering: ca. 2000mal kleiner. Hier ist aber dies
von Bedeutung:
Die elektrische Kraft eines federleichten Elektrons ist gleich groß wie die
elektrische Kraft eines 2000mal so schweren Protons.
Die Ladung eines Elektrons ist die kleinste negative Ladung, die wir kennen.
Sie heißt Elementarladung.
Ein Körper, dessen Atome gleich viele Protonen wie Elektronen hat, ist nach außen
hin „elektrisch neutral“.
Entfernt man ein Elektron aus einem neutralen Stoff, dann bleibt ein Proton ohne
„ausgleichende Wirkung“. Der Stoff ist ab sofort positiv geladen.
Beim Reiben werden also den Atomen eines Stoffes – z.B. der Wolle – viele
Elektronen entzogen. Ihre Ansammlung heißt „negative Ladung“. Sie befindet sich
dann auf dem Hartgummistab.
Im Wolltuch ist jetzt Elektronenmangel. Die übriggebliebenen Protonen ohne
Partner bewirken die „positive Ladung“.
Erzeugung von elektrischer Ladung erfolgt,
indem die negativen Elektronen von den positiven Protonen getrennt werden.
Dabei entsteht gleich viel positive wie negative Ladung.
Ladungen können gesondert angesammelt werden.
Ungleichnamige Ladungen
ziehen sich an
Gleichnamige Ladungen
stoßen sich ab
Da zwischen positiver und negativer Ladung anziehende Kräfte herrschen,
muß bei der „Erzeugung von Ladung“, also bei der Ladungstrennung, Arbeit
geleistet werden. Diese wird als elektrische Energie gespeichert.
+Q....“positive Ladung“ ,
-Q ......“negative Ladung“
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Leiter und Nichtleiter
Es gibt zwei Arten von Körpern, in denen sich Ladungsträger – das sind Elektronen
oder Ionen – verschieden verhalten:
In Leitern können sich Ladungsträger bewegen.
Beispiele für Leiter: Metalle, Säuren, Laugen, ...
a) In den Metallen bewegen sich nur die negativen Elektronen.
b) In Flüssigkeiten und Gasen wandern auch positive Ladungsträger (Ionen).
In Nichtleitern -auch Isolatoren genannt – wird die Bewegung der Ladungsträger
verhindert. Beispiele: Kunststoffe, Glas, Holz, ......
In der Praxis gibt es weder absolute Leiter noch absolute Nichtleiter.
Unterschied zum Magnetismus:
Jeder Körper kann elektrisch geladen werden, und Ladungen können voneinander
isoliert werden.
Nachweis von elektrischer Ladung
Das Instrument zum Nachweis elektrischer Ladung heißt Elektroskop.
Es besteht aus einem Metallgehäuse. Darin isoliert steckt das Anzeigegerät – auf
dem Metallträger ist ein sehr leichter, drehbarer Metallzeiger knapp oberhalb seines
Schwerpunktes gelagert.
Berühren wir den Systemträger mit dem elektrisch geladenen Stab, dann verteilen sich die Ladungen
des Kunststoffstabes in Systemträger und Zeiger:
Der drehbare Zeiger schlägt aus. (Das ist die abstoßende Wirkung der gleichen Ladungen).
Je mehr Ladung, desto größer der Zeigerausschlag.
Wenn wir dann das Anzeigesystem mit der Hand berühren, verschwindet der Ausschlag. Denn auf
diese Weise können die überschüssigen Ladungen zur Erde abgeführt werden, wobei das Elektroskop
elektrisch neutral wird.
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Blättchenelektroskop:
Blättchenelektroskop:
Das Anzeigesystem enthält zwei extrem
dünne Metallblättchen, die sich bei
Aufladung voneinander abstoßen.
,
Mit zwei solchen Elektroskopen kann der folgende Versuch durchgeführt werden:
Bild rechts oben zeigt die Anordnung dazu.
Das linke und das rechte Elektroskop werden gegengleich aufgeladen (+Q, -Q).
Die Blättchen stoßen sich ab und zeigen Ladung an.
Dann werden die Elektroskope durch einen Matallstab mit isoliertem Griff verbunden: Der Ausschlag
der Elektroskope geht zurück.
Erklärung:
Durch das Verbinden sind nämlich die beiden Körper zu einem einzigen leitenden Körper geworden
mit gleich viel positiver wie negativer Ladung....
Körper mit gleich großen positiven und negativen Ladungen sind nach außen hin neutral: Ihre
Gesamtladung ist Null.
Das elektrische Feld
Der Raum um eine elektrische Ladung heißt „Elektrisches Feld“ Man erkennt das
Feld an der Kraft, die auf andere geladene Gegenstände ausgeübt wird ( Anziehung
oder Abstoßung ).
Die elektrischen Feldlinien ( = Kraftlinien )
geben die Richtung der Kraft auf eine positive
Probeladung an.
Im Bild rechts:
Feld zwischen einer positiven und einer negativen
Ladung.
Elektrische Influenz
Elektrische Influenz ist die Trennung und Bewegung von
Ladungsträgern unter dem Einfluß eines äußeren elektrischen
Feldes.
Links werden im Matallkörper die Ladungen durch Influenz
getrennt (a).
Durch Berührung am rechten Ende werden Elektronen aus der
Erde zugeführt. (b).
c) ...Erdung entfernen, dann geladenen Stab entfernen:
Der Körper bleibt aufgeladen (Überschuß an Elektronen) zurück.
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Elektrischer Dipol
Ein elektrischer Dipol ist ein Gebilde aus
zwei
entgegengesetzten, gleich großen Ladungen.
Zwei gleich große Ladungen +Q und –Q, durch einen Isolator
getrennt, bilden zum Beispiel ein Dipol.
Viele Moleküle sind von Natur aus Dipole: Bei ihnen fällt der Schwerpunkt der
positiven Ladung und der Schwerpunkt der negativen Ladung nicht zusammen.
Elektrische Polarisation
Moleküle können zu Dipolen gemacht werden. Dieser Vorgang heißt elektrische
Polarisation.
In der linken Zeichnung ist oben ein Atom, dessen
Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen
zusammenfallen. Man sagt: Dieses Atom hat kein
„Dipolmoment“.
Durch ein elektrisches Feld aber (z.B. die angenäherte
positive Ladung, Zeichnung unterer Teil) werden positive und
negative Ladungen in entgegengesetzte Richtungen gezerrt.
Hier die positiven nach links, die negativen nach rechts.
Jetzt sind die Ladungsschwerpunkte räumlich voneinander getrennt – es ist
ein Dipol entstanden...kurz so gezeichnet:
Nun verhält sich ein Isolator unter Nicht – Feld – Bedingungen
folgend:
Falls seine Moleküle schon von vornherein Dipole sind (was
bisweilen der Fall ist), haben sie keinen Grund, sich anzuordnen.
Unter Feld – Bedingungen ordnen sich die
Dipolmoleküle jedoch an!
Selbst wenn die Moleküle vorher noch keine Dipole
waren, sind sie es spätestens durch die Kraft des
elektrischen Feldes geworden. Und dann erfolgt die
Ausrichtung: Plusteile nach links, Minusteile nach
rechts.
Versuch:
Anziehung einer neutralen, leitenden Aluminiumkugel im
elektrischen Feld.
Der Hartgummistab (links) ist negativ geladen. Das Feld
um seine Ladung bewirkt in der leitenden Alukugel, daß die
beweglichen Elektronen so weit wie möglich ausweichen.
Nun ist die Alukugel links positiv, rechts negativ – also ein Dipol geworden. Obwohl
die Gesamtladung der Alukugel Null ist, wirkt die Abstoßung der Elektronen wegen
der größeren Entfernung weniger stark als die Anziehung der positiven Ladung. Die
Alukugel wird also zum negativen Stab hingezogen.
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Elektrostatische Größen
Ladungseinheit:
Die Einheit der elektrischen Ladung Q ist 1 Coulomb = 1 C = 1 As (Amperesekunde)
Coulomb- Gesetz
Das Coulomb- Gesetz sagt aus über die Kraft F zwischen zwei Ladungen Q1 und Q2,
die sich im Abstand r voneinander befinden:
F = f⋅
Q1 ⋅ Q 2
r2
Die Kraft F ist anziehend bei ungleichnamigen und abstoßend bei gleichnamigen
Ladungen. Die Proportionalitätskonstante f hängt von der Art des umgebenden
Mediums ab.
Feldstärke E
Die Kraft, die auf eine positive Ladungseinheit in einem beliebigen Punkt des Feldes
wirkt, heißt die elektrische Feldstärke E an dieser Stelle.
!
! F
E =
Q
Potential U
Betrachten wir das elektrische Feld zwischen zwei planparallelen Platten (a). Die
Feldlinien verlaufen hier parallel und in gleichen Abständen, daher heißt dieses Feld
„homogen“.
Halten wir jetzt eine kleine positive Ladung Q in das Feld (klein- warum?...um das
Feld damit nicht merklich zu verändern).
Was geschieht mit der Ladung?- Sie wird nach links getrieben. Will man sie
festhalten, muß man eine Kraft dazu aufwenden. Will man sie noch dazu entgegen
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der elektrischen Kraft – also von links nach rechts – verschieben, muß man Arbeit
(elektrische Kraft mal Weg) verrichten.
Wie groß ist die Arbeit?...
• Tragen die Platten mehr Ladung, sind mehr Feldlinien da (größere Feldstärke E), dann muß
größere Kraft aufgewendet werden.
• Ist unsere Ladungsportion Q größer, müssen wir auch mehr arbeiten.
• Wenn der Verschiebungsweg s größer wird, muß auch mehr gearbeitet werden. Daher:
W=EQs
Das Potential U ist ein Maß für die Arbeit, die nötig ist, um die Ladung Q von einem
Punkt zu einem anderen Punkt zu befördern. Man sagt dazu auch:
Potentialdifferenz und ebenso Spannung zwischen den betrachteten Punkten.
Ganz genau lautet die Definition folgend:
Das Potential U im Punkt X2 bezüglich des Punktes X1 mißt die Arbeit, welche nötig
ist, um die positive Ladungseinheit (1 Coulomb) von X1 nach X2 zu befördern:
U =
W
EQs
=
= Es
Q
Q
........... E ... Betrag der Feldstärke
.............s ... Weg entgegen der Feldrichtung
Spannung =
Arbeit
Ladung
Einheit: Volt =
Joule
Coulomb
Sehen wir uns noch einmal die Zeichnung auf der Seite 6 an:
Um eine Ladung Q vom Punkt X1 zum Punkt X2 zu befördern, ist die Arbeit W erforderlich.
Bezüglich dieser Arbeit unterscheidet sich die Zeichnung c) um nichts von der Zeichnung b). Wenn
Sie nämlich eine Ladung entlang einer Linie normal zu den Feldlinien transportieren, müssen Sie
keine elektrische Arbeit leisten. Das ist dasselbe, wie wenn Sie einen Koffer mit dem Gewicht 100
Newton (10 kg Masse) auf einer ebenen Straße schleppen: Sie haben dabei keine Hubarbeit geleistet.
Die Linie bzw. im Raum ist es eine Fläche, die überall zu den Feldlinien normal ist, heißt
Äquipotentialfläche.
Auf ihr herrscht konstantes Potential. Auf Seite 6 sind das die strichlierten Linien in
Zeichnung d).
Wir haben nun die Spannung zwischen zwei Punkten oder anders ausgedrückt die
Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten des elektrischen Feldes kennengelernt.
Es ist möglich, auch vom Potential eines einzigen Punktes zu sprechen:
Das Potential eines Punktes P ist dann die Spannung zwischen diesem Punkt und
einem anderen, der die elektrische Feldstärke Null besitzt.
SI – Einheit für Spannung oder Potential: 1Volt = 1V.
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Körper im elektrischen Feld
a) Leiter im elektrischen Feld:
Wie wir auf Seite 5 gesehen haben, wandern die Elektronen
eines im Feld befindlichen Metallkörpers so weit es geht von der
negativen Platte weg nach rechts, dadurch wird der Metallkörper
links positiv aufgeladen. Die elektrischen Ladungen befinden
sich also auf der Außenseite des Metallkörpers.
Das Innere eines elektrischen Leiters ist aber feldfrei und bildet
einen sogenannten "Faraday- Käfig"
Ein Faraday- Käfig ist also eine allseitig geschlossene Umhüllung eines Raumes
aus Blech oder Maschendraht, die eine Abschirmung gegen äußere elektrische
Felder bewirkt.
Beispiele: Auto, Flugzeug, Drahtsystem einer Blitzableiteranlage, welches ein
Gebäude umgibt...
Versuch: Maschendrahtrolle im Feld zwischen den Kugeln der Influenzmaschine.
(Beschreibung auf Seite 9, unter "Nichtleiter im elektrischen Feld")
Versuch zum Faradaykäfig:
Ein leichter Probekörper wird aufgehängt. Nähert man ihm
eine Ladung, wird er dorthin gezogen. (Seine Dipole ordnen
sich so an, daß alle negativen Ladungsschwerpunkte zur
positiven
Ladung
weisen,
alle
positiven
Ladungsschwerpunkte in die Gegenrichtung. Wieder bewirkt
die größere Nähe aller ungleichnamigen Ladungen die
Anziehung.
Stülpen wir aber über unseren Probekörper einen Drahtkäfig, so
rührt sich der Probekörper überhaupt nicht. Weder die
Annäherung eines stark geladenen Körpers noch die Aufladung
des Käfigs selbst kann ihn aus der Ruhe bringen.
Diesen Versuch zeigte Faraday (1791 – 1867) in eindrucksvoller
Weise:
Er setzte sich selbst in einen großen Metallkäfig, ließ ihn stark
aufladen und spürte nicht das geringste dabei.
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b) Nichtleiter im elektrischen Feld
Wandern können die elektrischen Ladungen im Isolator
nicht. Es erfolgt allerdings eine Ausrichtung der
molekularen Dipole.
Denkt man sich nur die Außenreihe der Ladungen wie im
Bild unten – die im Inneren sich aufhebenden Ladungen
habe ich einfach weggestrichen – so ist auch der Isolator
im elektrischen Feld an den beiden Enden aufgeladen
...hier rechts negativ, links positiv.
Also auch ein Isolator stellt im elektrischen Feld einen
Dipol dar. Wegen dieses Verhaltens wird ein Isolator
auch Dielektrikum genannt.
Das Innere eines Isolators ist nicht feldfrei: Ein Isolator kann vor elektrischen
Feldern nicht schützen wie der Faraday – Käfig.
Wir zeigen dies im Experiment, indem wir zwei gleich geformte Rollen nacheinander
zwischen die aufgeladenen Kugeln der Influenzmaschine halten.
Die Funken fliegen durch die Papierrolle hindurch, während das Innere der
Metallgitter- Rolle völlig geschützt bleibt. Die Funkenstraße verläuft nur außerhalb.
Die Spitzenwirkung
Sehen wir uns einen geladenen Metallkörper an. Wo befinden sich die Ladungen?An der Außenseite. Das ist die Folge der gegenseitigen Abstoßung.
Von einem geladenen Leiter gehen Feldlinien aus.
Um eine Metallkugel sind die Feldlinien gleichmäßig verteilt
(Bild links) Das ist aber nicht immer der Fall.
An Stellen stärkster Krümmung ist die Feldliniendichte am
größten (Bild rechts).
Dort ist nämlich die Konzentration der Ladungsträger am größten. Diese starke
Konzentration erleichtert den Ladungsausgleich mit der Umgebung.
Wie erfolgt der Ladungsausgleich?
a) wenn die Spitze positiv geladen ist, werden Elektronen aus der Luft aufgenommen
b) bei negativer Spitze werden Elektronen in die Umgebung versprüht.
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Versuche zur Spitzenwirkung
Elektrischer Wind
a) Wir laden einen spitzen Körper zuerst positiv auf:
Von der Spitze weht ein kräftiger Wind zur ungeladenen
Metallkugel hin.
b) Wir laden den spitzen Körper negativ auf:
Kein Spitzenwind ist beobachtbar, die Kerze flackert nur
leicht.
Erklärung:
Durch die hohe Ladungs- und Feldliniendichte in der Umgebung der Spitze erfolgt eine Spaltung der
Gasmoleküle der Luft - genannt „Ionisation“. Dabei entstehen negative Elektronen und positive
Restkörper (Gasionen).
a) Die positiv geladene Spitze zieht die Elektronen an sich und entlädt sich dabei.
Dabei treibt sie die positiv geladenen Gasionen zur Kugel. Der von der Spitze wegwehende
Spitzenwind zeigt: mit dem Transport positiver Ladung ist ein ausgeprägter Materietransport
verbunden.
b) Wird die Spitze negativ geladen, müßte der Wind gegen die Spitze wehen – was aber ebenso
schlecht gelingt wie ein Auslöschen der Kerze durch „Ansaugen“ von Luft durch den Mund.
Das Ausblasen – wie auch zu sehen in Fall a) – läßt eben einen gerichteten Strahl entstehen.
Nun – die Elektronen werden von der negativen Spitze ja auch weggeblasen - - - jedoch wegen ihrer
Winzigkeit im Vergleich zu den Ionen ist kein bemerkbarer Materietransport vorhanden.
Elektrostatische Entstaubungsanlage
In unserem Versuch verwenden wir eine durchsichtige zweiteilige
Plastikschachtel, in deren unteren Teil eine metallene Spitze
eingeschmolzen ist, in den oberen Teil ist eine metallene Platte
eingebracht.
Wir bringen Rauch in den Plastikbehälter. Dann laden wir die Spitze
negativ und die Platte positiv auf. Ganz plötzlich verschwindet der
Rauch in der Plastikschachtel.
Erklärung: Von der negativen Spitze werden Elektronen versprüht, die sich an die Rauchteilchen
heften. Bepackt mit diesen negativen Elektronen setzen sich die Rauchpartikel an der positiven Platte
ab. Nun kann der Rauch eventuell abgeschabt werden – der Luftreinigungseffekt ist erfüllt.
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Abgase von Industriebetrieben enthalten oft große Mengen
an Staub ( Flugasche, ...) Der Staub soll natürlich nicht in
die Luft wirbeln.
Zu diesem Zweck befindet sich in der Mitte des
Schornsteins ein dünner Metalldraht. Er wird stark negativ
aufgeladen. Nun treten wegen der Spitzenwirkung aus
dem Matalldraht ständig Elektronen aus. Diese lagern sich
an die Staubteilchen und machen aus ihnen negative
Körperchen. Von der Wand, die positiv geladen ist, werden
sie angezogen. Bald sammelt sich der Staub zu ganzen
Klumpen und fällt ab.
Pro Jahr werden in elektrostatischen Staubabscheidern ca
20 Milliarden kg Flugasche gesammelt.
Elektrostatische Spritzanlagen
Ein Werkstück wird – genügend hoch über der Erde –
aufgehängt und gegenüber der Erde stark positiv
aufgeladen. (Potential gegenüber der Erde ca. 50
Kilovolt).
Die Spritzpistole ist geerdet, also leitend mit der Erde
verbunden.
Wegen der Influenzwirkung des positiven Werkstückes (s.
Seite 4, unten) ist die Spritzpistole negativ aufgeladen.
Die Lackteilchen sind also beim Verlassen der Spritzpistole negativ und folgen
ziemlich den elektrischen Feldlinien: sie erreichen das Werkstück auch an der
Rückseite. Wegen der rundherum gleichmäßigen Einsammlung der Lackteilchen ist
dieses Verfahren sehr sparsam: Gegenüber herkömmlichen Verfahren werden hier
jährlich 20 Millionen kg Lack eingespart.
Kondensator und Kapazität
Ein Kondensator ist ein Körper, der in der Lage ist, eine elektrische Ladung
aufzunehmen und zu bewahren. Auf diese Weise kann elektrische Energie
gespeichert werden. Ein Leiter, der eine gute Isolierung besitzt, um den Abfluß
elektrischer Ladung zu verhindern, erfüllt diesen Zweck.
Im Prinzip ist jeder elektrische Leiter ein Kondensator- auch ein einzelner Nagel.
Wieviel Ladung allerdings bei gleicher Spannung aufgenommen werden kann, hängt
ab von Bauweise, Material und umgebendem Medium
Das Maß für das elektrische Fassungsvermögen eines Leiters bzw. Kondensators ist
die „Kapazität“ C .
Kapazität C ist: Ladung, die bei einer gegebenen Spannung aufgenommen werden
kann, also:
Ladung
1 Coulomb
Kapazität =
1 Farad =
Spannung
1Volt
Q
C
C =
1F = 1
U
V
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Literatur
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Bredthauer, Wilhelm et al.: Impulse Physik 1. Verlag Ernst Klett: Stuttgart 1993.
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Höfling, Oskar: Physik. Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium. Verlag Ferdinand Dümmler: Bonn
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Jaros, Albert/Nussbaumer, Alfred/Nussbaumer, Peter: Basiswissen 2. Physik - compact. Verlag HöllerPichler-Tempsky: Wien 1992.
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Sexl/Raab/Streeruwitz: Physik, Teil 2. Verlag Ueberreuter: Wien 1983.
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