Reibungselektrizität
Durch Reibung kann etwas von einem Körper auf einen anderen übertragen werden, was Kraftwirkungen zur Folge hat. Ein historisches Experiment, bei welchem dieses Verhalten beobachtet werden kann, ist das Reiben eines Stoffs an einem Stück Bernstein, welcher dann Staubteilchen anzieht. Das griechische Wort für Bernstein ist "Elektron". Die Phänomene wurden deswegen "elektrisch" genannt und das "Etwas", was von einem Körper durch Reibung auf einen anderen übergeht, bekam den Namen "Elektrizität".
Die Idee, dass Elektrizität aus einzelnen Teilchen, den elektrischen Ladungen besteht, hatte Benjamin Franklin im Jahr 1750. Hundert Jahre später, im Jahr 1881, wurde die negative elektrische Ladung "Elektronen" genannt. Die Teilchen der positiven Elektrizität wurden im Jahr 1919 von Rutherford entdeckt und bekamen den Namen "Protonen".
Elektronen sind die elektrischen Ladungen, die leicht von einem Körper gelöst werden können und auch in einem Stromkreis durch die Leitungen fließen. Protonen sitzen fest verankert im Inneren der Atome und lassen sich nicht bewegen. Daher weiß man heute, dass sich bei den Experimenten der Reibungselektrizität nur die Elektronen von einem Körper auf den anderen bewegen.
Wenn man einen Kunstoffstab mit einem Katzenfell reibt, fließen Elektronen vom Kunststoffstab auf das Katzenfell. Reibt man einen Glasstab mit einem Baumwollstoff, fließen Elektronen vom Baumwollstoff auf den Glasstab. In der folgenden Simulation können Sie das Verhalten, dass nur die Elektronen von einem Körper auf einen anderen fließen, nachvollziehen.
Experiment: Luftballon-Elektrizität (Phet, Colorado)
Reiben Sie den Luftballon am Pullover
- Entfernen Sie den geladenen Luftballon etwas vom Pullover und lassen Sie diesen wieder los
- Bringen Sie den geladenen Luftballon in die Nähe der Wand
- Laden Sie zwei Luftballons und nähern diese einander an
Geben Sie Ihre Beobachtungen und Folgerungen an.
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Eine negativ geladene kleine Metallkugel wird in die Nähe einer nicht geladenen großen Metallkugel gebracht. Da die negativen Ladungen in der großen Metallkugel frei beweglich sind, verschieben sich die negativen Ladungen (Elektronen) auf ihr von der kleinen Metallkugel weg, weil gleichnamige Ladungen sich abstoßen. Dadurch hat die rechte Seite der großen Metallkugel einen negativen Ladungsüberschuss und die rechte Seite einen positiven Ladungsüberschuss. Dieses Phänomen heißt elektrische Influenz.
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Ein Elektroskop (oder auch Elektrometer genannt) besteht aus einer Metallkugel, die leitend mit zwei leichten Blättchen aus Metall verbunden sind (z.B. aus Gold). Diese Blättchen können sich wie eine Schere öffnen. Der Aufbau ist elektrisch neutral (also nicht geladen). Sobald z.B. negative elektrische Ladung in die Nähe der Metallkugel gebracht wird, so wandern die Elektronen innerhalb der Metallkugel aufgrund der Influenz möglichst weit weg von der in die Nähe gebrachten negativen Ladung. Das heißt: Sie wandern unteranderem auf die Metallblättchen. Diese stoßen sich ab. Auf diese Weise können wir überprüfen, ob ein in die Nähe gebrachtes Objekt geladen ist oder nicht. Wenn es nicht geladen ist, dann bleiben die Blättchen da, wo sie sind.
Die Ladungsmenge
Versuch: Beschreibe den Verlauf des Versuches und deute die Bewegungen. Gehe dabei insbesondere auf den Beginn der Bewegung eine (der metallische Ball ist ungeladen)
Die Ladungsmenge – Definition und Einheit
Die elektrische Ladung (früher: Elektrizitätsmenge) Q ist eine Eigenschaft von Teilchen oder Körpern, welche die Quelle, d. h. die Ursache des elektrischen Feldes und aller elektromagnetischen Erscheinungen darstellt. Das Analogon zur elektrischen Ladung bei der Schwerkraft ist die Masse eines Körpers.
Die Ladungsmenge Q wird in der Einheit Coulomb (C) gemessen. Die Ladungsmenge 1C entspricht einer Anzahl von 6,24148 · 1018 Elektronen
Die Ladung freier Teilchen ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung . Die Ladung des Elektrons ist negativ: -e, die des Protons positiv: +e. Bei zusammengesetzten Teilchen wie Atomen addieren sich die einzelnen Ladungen. Ist die Gesamtladung null, so heißt das zusammengesetzte Teilchen neutral. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung unveränderlich (Ladungserhaltung).
Gleichzeitig kann man die Bewegung der Elektronen als elektrischen Strom ansehen.
Feldlinienbilder für elektrische Felder
Elektrische Ladungen üben aufeinander abstoßende und anziehende Wirkungen aus. In einem Gedankenexperiment soll in die Nähe von kleinen Kugeln, die elektrisch geladen sind (Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel) ein elektrisch positiv geladener Wattebausch, den wir "Probeladung" nennen, gesetzt werden. Diese Probeladung denken wir uns vereinfacht so, dass diese zwar eine Kraft von den anderen geladenen Kugeln erfährt, die anderen Körper aber nicht beeinflusst.
In der Nähe einer elektrisch negativ geladenen Kugel bewegt sich die Probeladung geradlinig auf die Kugel zu, da sie er von dieser angezogen wird. Befinden sich mehr als eine geladene Kugel in der Nähe der Probeladung, kann deren Flugbahn krummlinig werden, da die Probeladung gleichzeitig von mehreren elektrisch geladenen Kugeln angezogen oder abgestoßen wird. Die resultierende Kraft auf eine Probeladung wird mit Hilfe der Parallelogrammregel für Kraftpfeile ermittelt. Die Kraftpfeile nennen wir in der Oberstufe Kraft-Vektoren.
Wie geschieht die Wirkung von Ladung auf Watte?
- Fernwirkung der Ladung
- Nahwirkung durch Feld, das den Raum verändert
Idee von Michael Faraday (1791-1867)
Der Raum in der Umgebung von elektrisch geladenen Kugeln, in welchem diese elektrische Kräfte ausüben, wird elektrisches Feld genannt.
Ein statisches elektrisches Feld ist ein wirbelfreies Quellenfeld.
Für die Wirkungen von Feldern gilt:
- Auf einen geladenen Körper wird im elektrischen Feld eine Kraft ausgeübt.
- Bei Stoffen im elektrischen Feld tritt Influenz oder dielektrische Polarisation auf.
- In geschlossenen Stromkreisen bewirkt ein elektrisches Feld die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (Stromfluss).
Versuch: Grieskörner in Rizinusöl im elektrischen Feld
In der folgenden Simulation können Sie den Raum in der Nähe von elektrisch geladenen Kugeln erkunden.
In der Simulation denken wir uns die elektrischen Ladungen so, dass Sie unbeweglich an einer Position fest verankert sind. Nur die Probeladung kann sich bewegen und deren Bewegung denken wir uns mit einer konstanten Geschwindigkeit.
- Setzen Sie in die Simulation geladene Kugeln, indem Sie auf "Negative Ladung" und "Positive Ladung" klicken. Sie können die Kugeln mit der Maus verschieben.
- Aktivieren Sie "Vektorfeld", um die Richtung der resultierenden wirkenden elektrischen Kraft in jedem Raumpunkt anzeigen zu lassen.
- Setzen Sie Sensoren in das elektrische Feld, indem Sie auf "Sensor" klicken. Sie können mit der Maus einen Sensor verschieben.
- Starten Sie eine Probeladung, indem Sie einen der Sensorpfeile anklicken und dann auf "Probeladung Start/Stopp" klicken.
- Laden und studieren Sie Beispiele, indem Sie auf das Auswahlfeld bei "Beispiele laden" klicken und dann eine Beispielsituation auswählen
Hier ist eine weitere Simulation Animation 2
Ergebnisse
Eine einzige geladene Kugel ist von einem symmetrischen elektrischen Feld umgeben, da die Kraft radial in Richtung der einzigen Ladung gerichtet ist.
Wenn mehrere geladene Kugeln vorhanden sind, muss für jeden Punkt im Raum berechnet werden, in welche Richtung die resultierende Kraft gerichtet ist und wie stark die resultierende elektrische Kraft ist.
Eine Probeladung fliegt auf einer Bahn, die abhängig von allen anwesenden Ladungen ist. Wenn man die Position einer geladenen Kugel verändert, verändert sich die Form aller Flugbahnen.
Die Bahn einer Probeladung beginnt und endet immer senkrecht auf elektrisch geladenen Kugeln und zwei mögliche Flugbahnen kreuzen sich nie.
Die Flugbahn auf welcher eine Probeladung im elektrischen Feld fliegen würde, wird Feldlinie genannt. Eine Feldlinie entsteht auch, wenn man die wirkenden Kräfte als Tangenten auffasst und eine Kurve zu den Tangenten bildet.
