Elektrostatik

Übungen Elektrostatik

Leiter und Isolatoren
Elektrostatische Aufladung
Influenz
Polarisation
Elektroskop
Links

Leiter - Elektronen können sich bewegen:

In Metallatomen sind üblicherweise die äußeren Elektronen (die sogenannten Valenzelektronen), nur sehr schwach an den Atomkern gebunden. Diese Elektronen können sehr leicht abgelöst werden, so dass sie sich frei durch das Metall bewegen können (man nennt sie daher auch freie Elektronen).  Die große Beweglichkeit der freien Elektronen und die große Anzahl mit der sie in Metallen auftreten, machen Metalle zu sehr guten Leitern für Elektrizität (und ebenso für Wärme). 

Beispiele: Die meisten Metalle wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Gold ... sind gute Leiter.

Isolatoren:  

Andere Substanzen wie Gummi, Glas, Holz usw. besitzen hingegen keine lose gebundenen, nahezu freien Elektronen - alle Elektronen sind stark an den Atomkern gebunden. Isolatoren leiten den elektrischen Strom praktisch nicht

Beispiele: Glas, Gummi, Plastik, Keramik, die Mehrzahl der Kunststoffe wie Plexiglas, PVC, Teflon  ....

Obwohl trockene Luft ein Isolator ist, kann feuchte Luft bestimmte Mengen elektrischer Ladung leiten. An feuchten Tagen entladen sich geladene Leiter aufgrund eines langsamen Ladungsabflusses durch die Luft - sogar wenn die Leiter ansonsten gegenüber der Umgebung isoliert sind. Wenn die Ladung auf einem Leiter sehr groß ist, kann die Entladung durch die Luft durch einen Funken oder Blitz stattfinden.

Elektrostatische Aufladung

Die Eigenschaft von Bernstein, nach dem Reiben leichte Gegenstände anzuziehen, war THALES von MILET schon im Altertum bekannt. Auch andere Materialien zeigen ein ähnliches Verhalten. Diese neue Eigenschaft wurde nach dem Stoff benannt, an dem sie beobachtet wurde (elektron griech: Bernstein) -  also Elektrizität  

Alle Körper besitzen eine große Anzahl elektrischer Ladungen. Normalerweise merken wir davon nichts, da sich die Wirkungen der positiven und negativen Ladungen kompensieren (aufheben). Ein Körper, mit einer Gesamtladung Null (von beiden Ladungsarten gleich viel), ist nach außen hin „elektrisch neutral". Um einen Körper aufzuladen, muss man entweder Ladungen auf ihn übertragen oder von ihm wegnehmen, so dass nicht länger ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen existiert. Somit entspricht elektrische Aufladung einem Elektronentransfer (Ladungstrennung)

Das Aufladen kann durch 
Reibung, elektrische Leitung oder Influenz erreicht werden.

Aufladung durch Reibung (Berührung):

Bei den Isolatoren gibt es welche zu denen die Elektronen eine größere Affinität haben (z.B. Hartgummi) als zu anderen wie z.B. die Haare eines Katzenfells. Bringt man durch Reibung zwei Materialien unterschiedlicher Elektronenaffinität in innigen Kontakt, so gehen Elektronen von dem einen Isolator zum anderen. Bei dem Isolator mit geringerer Elektronenaffinität bleiben positive Ionen zurück. 

Berührungselektrische Spannungsreihe (triboelectric series)

deine Hand (aber nur wenn sie sehr trocken ist)
Leder
Glas
deine Haare
Wolle
Fell
Seide
Papier
Baumwolle
Hartgummi
Polyester
PVC
Positiv (Geringe Elektronenaffinität)

 

 

 

 

Negativ (hohe Elektronenaffinität)

Die angegebene Reihe ist nicht bei allen Autoren gleich. Sie hängt ab von der Reinheit der Materialien, von atomar dünnen Verunreinigungen der Materialoberflächen

Reibt man ein Material mit einem in der Liste darunter liegenden Material, lädt sich das in der Liste weiter oben stehende Material positiv auf (gibt Elektronen ab), das weiter unten angeführte negativ auf (nimmt die Elektronen auf). Je weiter die Materialien voneinander entfernt sind, umso stärker ist die Aufladung

Beispiel 1: Wenn ein Hartgummistab mit Fell gerieben wird, lädt sich das Hartgummi negativ auf und das Fell wird positiv.

Beim Reiben werden also den Atomen eines Stoffes – hier dem Fell – viele Elektronen entzogen. Ihre Ansammlung heißt „negative Ladung". Sie befindet sich dann auf dem Hartgummistab. Im Fell herrscht jetzt Elektronenmangel. Die übriggebliebenen Protonen ohne Partner bewirken die „positive Ladung".

Beispiel 2: Wenn ein Glasstab mit Seide gerieben wird, lädt sich das Glas positiv auf und die Seide entsprechend negativ. Einige Elektronen des Glases wurden durch das Reiben auf die Seide übertragen. 

Dasselbe funktioniert auch wenn sich zwei unterschiedliche Materialien innig berühren und dann getrennt werden. Der Abstand der Materialien muss aber sehr klein werden (molekulare Größenordnung, 10-10 m). Da die meisten Materialien nicht flach oder flexibel genug sind, um sich an einer möglichst großen Grenzfläche berühren zu können, reicht es nicht, sie aneinander zu halten und dann wieder zu trennen. Ein inniger Kontakt entsteht beim Reiben gegeneinander. Die Reibung ist nicht die Ursache der elektrischen Spannung, sie dient nur dazu, einen möglichst großen Teil der Oberfläche der Körper in enge Berührung zu bringen. Klebrige Substanzen, die rückstandsfrei wieder abgezogen werden können, sind ebenfalls bestens geeignet.

Bsp: Klebende Streifen:
Klebe zwei Tixo - Streifen zur Hälfte ihrer Länge an eine Tischkante. Halte die beiden anderen Enden mit der Hand fest und ziehe sie schnell vom Tisch ab. Bringe die beiden Streifen nahe zueinander, ohne dass sie sich berühren. Die beiden Streifen stoßen einander ab. Wenn die beiden Streifen vom Tisch abgezogen werden, entreißen sie dem Tisch Ladung und sind negativ geladen.

Bsp: Geht jemand mit Schuhen mit einer  Hartgummisohle über einen Wollteppich, so lädt sich die Sohle negativ auf, der Wollteppich hat Elektronenmangel -ist also positiv geladen. Darum kann man sich manchmal elektrisieren, wenn man eine Türklinke angreift. Manche Teppiche werden durch Metallfasern antistatisch ausgerüstet.

Beim Reiben entstehen stets gleichgroße, entgegengesetzte Ladungen. Elektrizität wird nicht erzeugt, sondern nur getrennt und in ihrer Wirkung zum Vorschein gebracht.

Aufladung durch elektrische Leitung:

Bringt man einen ungeladenen Leiter mit einem geladenen Körper in Berührung, so wird die ursprüngliche Ladung zwischen den beiden Körpern aufgeteilt. Das Vorzeichen der Ladung des auf diese Weise aufgeladenen Körpers und das des ursprünglich geladenen sind identisch.

Aufladung durch Influenz (electrostatic induction)

Beispiel 1: Wir induzieren eine positive Ladung auf einer isolierten Metallkugel

Wenn ein negativ geladener Stab nahe an ein isoliertes Stück Metall gebracht wird ohne dieses zu berühren, werden die freien Elektronen des Metalls von dem negativ geladenen Stab abgestoßen und sammeln sich auf der dem Glasstab am entferntesten gelegenen Stelle des Metalls. Das dem Glasstab abgewandte Stück des metallischen Körpers hat nun mehr Elektronen und ist negativ geladen. Das Metall ist insgesamt immer noch  neutral! Die Ladungen wurden lediglich auf zwei unterschiedliche Bereiche des Körpers getrennt.

Falls der metallische Körper jetzt geerdet wird, fließen Elektronen von der Metallkugel zur Erde ab.  Entfernt man nun die Erdung und den Stab, besitzt der metallische Körper eine positive Nettoladung, die sich gleichmäßig verteilt. 

Beispiel 2: Ein positiv geladener Glasstab wird nun nahe an die isolierte Metallkugel gebracht, ohne dieses zu berühren. Erkläre was auf der Metallkugel passiert.

Zusammenfassung

Klaus Wetzstein: Influenz Die mittlere Metallkugel kann am Griff bei gedrückter linker Maustaste langsam bewegt werden. Die roten Punkte stellen ortsfeste positive Ladungen, die blauen Punkte stellen negative bewegliche Ladungen dar. 
An den Kontakten links kann die Metallkugel geladen oder neutralisiert werden. 
von: Klaus Wetzstein http://www.k-wz.de/index.html

Aufladung von Metallkugeln durch Influenz - Bsp. bei Leifiphysik

Fragen-Allerlei zur Influenz - Bsp. bei Leifiphysik

http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/mmedia/estatics/itsn.html
Charging a Two-Sphere System by Induction Using a Negative Object

http://www.shep.net/resources/curricular/physics/P30/Unit2/electroscope.html
Gegenüberstellung zwischen Aufladung durch elektrische Leitung und Influenz

Polarisation

Ein geladener Körper zieht auch neutrale Körper an, z.B. geladener Luftballon bleibt an der Wand haften. Im Fall von Nichtleitern findet keine Ladungstrennung statt, da keine frei beweglichen Ladungsträger zur Verfügung stehen. Trotzdem beobachtet man Influenzladungen auf deren Oberfläche. Die Atome (Moleküle) werden polarisiert

Polarisation der Atome in einem Nichtleiter bei Anwesenheit einer äußeren positiven Ladung.

Das Elektroskop

skopein (griech.) sehen; 


Blau: Metallisch leitende Teile, braun: Teile aus nichtleitendem Material.  aufgeladen ist.

Die Abstoßung gleichnamiger Ladungen wird zum Erkennen und Messen von Ladungen herangezogen.
Das Elektroskop wird benutzt um

http://marvin.sn.schule.de/~physik/elektri/e2.php
Bau eines Elektroskops mit Hilfe einer Plastikflasche

http://www.brgzell.salzburg.at/pbuberl/nawi/phys/freihand/42.htm
Einfaches Elektroskop

Flash Animation

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/estatics/esn.html
Charging an Electroscope by Induction Using a Negatively-Charged Balloon

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/estatics/gep.html
Grounding a Positively-Charged Electroscope

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/estatics/isop.html
Grounding a Negatively-Charged Electroscope

Links

Anwendungsbeispiele: elektrostatischer Aufladung:
http://www.physik.fh-mannheim.de/homepage/nue/lehre/studentische%20vortraege/glaessner/referat_physik_1_6.htm

Elektrostatische Separatoren zur Metalltrennung -Leifiphysik

Van de Graaff Generator
http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/lesson/07elecst/vandegra/vandegra.htm
http://phun.physics.virginia.edu/demos/vandegraaf.html

Die historische Entwicklung der Elektrostatik
http://www.roro-seiten.de/physik/lk12/efeld/geschichte_der_elektrostatik.html

http://www.k-wz.de/physik/ladungstransport.html
Zwei Metallkugeln sind über Glimmlampen und einen Schalter mit einer Gleichstrom-Spannungsquelle verbunden. Mit Hilfe des Konduktors (Metallkugel mit Isolierstiel) können Ladungen von einer Kugel zur anderen transportiert werden. 

Bernstein (griech. elektron) ist Baumharz von Nadelbäumen, das vor langer Zeit ausgetreten ist. Danach sind die leichter flüchtigen Bestandteile, die Pflanzenöle, verdunstet und das Harz ist hart geworden. Bernstein wurde im Altertum wegen seines besonderen Materials und der Farbe (honiggelb über rotbraun bis braun-schwarz)  als Schmuck gehandelt.
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E-Mail: BRG Ried i. I - Physikauswahl Aktualisiert am 06.08.2003