Elektroskop, Influenz und Feldlinienbilder
Beim Aussteigen aus dem Auto bekommst du manchmal einen kleinen Schlag an der Türklinke. Und bei einem Gewitter gilt das Auto als sicherer Ort. Wie kann man Ladungen sichtbar machen, und wie beschreibt man die Kräfte, die sie ausüben? Am Ende der Seite kannst du beides erklären.
Das Elektroskop
Ein Elektroskop macht sichtbar, ob ein Körper geladen ist. Es besteht aus einer Metallkugel, einem Metallstab und einem beweglichen Zeiger. Stab und Zeiger sind in einem Gehäuse isoliert gelagert.
Dahinter steckt das Elektronen-Atomrumpf-Modell: In Metallen sind die Atomrümpfe (positiv) fest, die Elektronen (negativ) aber frei beweglich. Ein ungeladener Körper hat gleich viele positive und negative Ladungen. Ein Körper ist negativ geladen, wenn er Elektronen im Überschuss hat, und positiv geladen, wenn ihm Elektronen fehlen.
Wird das Elektroskop geladen, verteilt sich die Ladung auf Kugel, Stab und Zeiger. Stab und Zeiger tragen dann gleichnamige Ladung. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, deshalb schlägt der Zeiger aus. Je mehr Ladung, desto größer der Ausschlag.
Beschreibe den Aufbau eines Elektroskops und erkläre, was man am Zeigerausschlag erkennt.
Beschreibe den Aufbau eines Elektroskops und erkläre, was man am Zeigerausschlag erkennt.
Influenz und Aufladen
Halte einen geriebenen Kunststoffstab (negativ) an die Kugel, ohne sie zu berühren. Der Zeiger schlägt aus. Das nennt man Influenz: Die Ladungen im Metall werden durch einen geladenen Körper in der Nähe getrennt.
Die negativen Stabladungen stoßen die frei beweglichen Elektronen der Kugel ab. Sie wandern nach unten zu Stab und Zeiger. Die Kugel bleibt mit einem Elektronenmangel zurück und ist positiv. Das Elektroskop als Ganzes bleibt ungeladen, die Ladungen sind nur getrennt. Entfernst du den Stab, fließen die Elektronen zurück und der Zeiger fällt zusammen.
Ein geriebener Kunststoffstab wird an die Metallkugel eines Elektroskops gehalten, ohne sie zu berühren. Der Zeiger schlägt aus. Wie nennt man diese Erscheinung, und was…
Ein geriebener Kunststoffstab wird an die Metallkugel eines Elektroskops gehalten, ohne sie zu berühren. Der Zeiger schlägt aus. Wie nennt man diese Erscheinung, und was passiert mit den Ladungen im Elektroskop?
Ein Elektroskop wird mit einem negativ geladenen Stab berührt und ist danach geladen. a) Erkläre, welche Ladung das Elektroskop trägt. b) Beschreibe, was passiert, wenn…
Ein Elektroskop wird mit einem negativ geladenen Stab berührt und ist danach geladen.
- a) Erkläre, welche Ladung das Elektroskop trägt.
- b) Beschreibe, was passiert, wenn man nun einen positiv geladenen Stab nähert, ohne zu berühren.
- c) Begründe die Beobachtung.
Ein ungeladenes Elektroskop wird mit einem geladenen Stab angenähert. Der Zeiger schlägt aus. Dann wird die Kugel bei weiterhin genähertem Stab kurz mit dem Finger…
Ein ungeladenes Elektroskop wird mit einem geladenen Stab angenähert. Der Zeiger schlägt aus. Dann wird die Kugel bei weiterhin genähertem Stab kurz mit dem Finger berührt und der Finger wieder entfernt, anschließend der Stab entfernt.
- a) Beschreibe den Zeigerausschlag nach jedem Schritt.
- b) Erkläre die Ladungsverteilung nach jedem Schritt.
- c) Gib an, welche Ladung das Elektroskop am Ende trägt, wenn der Stab negativ war.
Ein Schüler behauptet: „Ein Elektroskop zeigt immer, ob ein Körper positiv oder negativ geladen ist." a) Nimm Stellung zu dieser Behauptung. b) Beschreibe ein Verfahren,…
Ein Schüler behauptet: „Ein Elektroskop zeigt immer, ob ein Körper positiv oder negativ geladen ist."
- a) Nimm Stellung zu dieser Behauptung.
- b) Beschreibe ein Verfahren, mit dem man mithilfe eines vorher bekannt geladenen Elektroskops das Vorzeichen der Ladung eines unbekannten Körpers bestimmen kann.
- c) Erkläre, warum es dazu bereits ausreicht, den Körper dem Elektroskop nur anzunähern, ohne es zu berühren.
Elektrisches Feld und Feldlinien
Geladene Körper wirken aufeinander, ohne sich zu berühren. Dafür sagt man: Um jede Ladung gibt es ein elektrisches Feld. Ein Feld kann man nicht sehen, aber mit Feldlinien darstellen.
Typische Bilder:
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Einzelne positive Punktladung: Die Linien gehen strahlenförmig nach außen. Nahe der Ladung liegen sie dichter, das Feld ist dort stärker. Bei einer negativen Ladung zeigen sie nach innen.
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Zwei ungleichnamige Punktladungen: Die Linien laufen von + nach − und verbinden beide Ladungen. In der Mitte ist das Feld stark und die Linien sind dicht.
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Zwei gleichnamige Punktladungen: Die Linien drängen sich auseinander. In der Mitte zwischen den Ladungen ist ein Punkt ohne Feld (die Kräfte heben sich auf).
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Zwei parallele, entgegengesetzt geladene Platten: Im Innenraum verlaufen die Linien gerade, parallel und gleich dicht von + nach −. Das Feld ist homogen, überall gleich stark. Ein positives Teilchen bewegt sich in Richtung der Feldlinien zur negativen Platte.
Beschreibe den Verlauf der elektrischen Feldlinien um eine einzelne positive Punktladung und gib an, in welche Richtung sie zeigen.
Beschreibe den Verlauf der elektrischen Feldlinien um eine einzelne positive Punktladung und gib an, in welche Richtung sie zeigen.
Beschreibe das Feldlinienbild zwischen zwei entgegengesetzt geladenen parallelen Metallplatten. a) Wie verlaufen die Feldlinien im Innenraum? b) Was sagt der Abstand der…
Beschreibe das Feldlinienbild zwischen zwei entgegengesetzt geladenen parallelen Metallplatten.
- a) Wie verlaufen die Feldlinien im Innenraum?
- b) Was sagt der Abstand der Linien über die Feldstärke aus?
- c) In welche Richtung bewegt sich dort ein positiv geladenes Teilchen?
Beschreibe das Feldlinienbild zweier betragsgleicher, gleichnamig geladener Punktladungen und vergleiche es mit dem Bild zweier betragsgleicher, ungleichnamiger…
Beschreibe das Feldlinienbild zweier betragsgleicher, gleichnamig geladener Punktladungen und vergleiche es mit dem Bild zweier betragsgleicher, ungleichnamiger Punktladungen. Nenne jeweils die Besonderheit in der Mitte zwischen den Ladungen.
Leiter im elektrischen Feld: Faradayscher Käfig
Bringst du einen Metallkörper in ein äußeres Feld, wirkt Influenz: Die frei beweglichen Elektronen werden zur Seite der positiven Quelle gezogen. Dort entsteht ein Elektronenüberschuss, auf der Gegenseite ein Mangel. Diese Ladungen erzeugen im Metall ein eigenes Feld, das dem äußeren entgegenwirkt.
Die Elektronen wandern so lange, bis beide Felder im Inneren gleich stark sind. Dann ist die resultierende Feldstärke im Inneren null: Es fließt keine Ladung mehr. Das Innere ist feldfrei, auch bei einem Hohlkörper.
Außen enden die Feldlinien senkrecht auf der Oberfläche, an den Influenzladungen: Sie beginnen an positiven Stellen und enden auf den negativen Stellen.
Das nennt man Faradayschen Käfig. Schlägt bei Gewitter ein Blitz in ein Auto ein, fließt die Ladung über die Außenhaut ab. Im Innenraum ist man geschützt, solange man keine Metallteile der Karosserie berührt. Auch Zugwaggons und Flugzeuge wirken so.
Im Gewitter ist das Auto ein sicherer Ort (Faradayscher Käfig). a) Beschreibe, wie sich die Ladungen auf einem Metallkörper in einem äußeren elektrischen Feld verteilen.…
Im Gewitter ist das Auto ein sicherer Ort (Faradayscher Käfig).
- a) Beschreibe, wie sich die Ladungen auf einem Metallkörper in einem äußeren elektrischen Feld verteilen.
- b) Erkläre, warum im Inneren des Metallkörpers kein Feld herrscht.
- c) Beschreibe in Worten das Feldlinienbild um den Körper und begründe, wie die Feldlinien an der Oberfläche enden.
Zurück zum Anfang: Das Auto ist sicher, weil es ein Faradayscher Käfig ist, in dessen Innerem das Feld null ist.
Auf einen Blick
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Das Elektroskop zeigt durch den Zeigerausschlag, dass und wie stark ein Körper geladen ist, aber nicht das Vorzeichen.
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Im Metall sind die Elektronen beweglich, die Atomrümpfe fest. Negativ heißt Elektronenüberschuss, positiv Elektronenmangel.
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Influenz: Ein geladener Körper in der Nähe trennt Ladungen im Metall, ohne zu berühren. Mit Erdung lässt sich so entgegengesetzt aufladen.
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Mit einem bekannt geladenen Elektroskop bestimmst du ein unbekanntes Vorzeichen: Ausschlag größer = gleichnamig, kleiner = ungleichnamig.
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Feldlinien gehen von + nach −, kreuzen sich nie; dicht = stark. Zwischen Platten ist das Feld homogen.
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Im Inneren eines Metallkörpers im Feld ist das Feld null (Faradayscher Käfig); außen enden die Linien senkrecht.