Читать книгу Phil's Physics - Philip Häusser - Страница 10

Hat euch schon mal jemand gesagt: »Elektrische Ladungen kann man nicht sehen«? Unsinn. Schwedische Physiker haben Elektronen (negativ geladene Teilchen) mit aufwändigster Technik gefilmt. Mit deutlich weniger Aufwand könnt ihr ebenfalls geladene Teilchen sichtbar machen – zumindest indirekt. Mit einem Elektroskop. Ein Gerät, das elektrische Ladungen und Spannungen nachweisen kann.

Warum holt man sich manchmal einen Schlag, wenn man eine Türklinke anfasst? Die Physiker-Antwort: Ihr habt durch das Schlurfen auf dem Boden mit euren Schuhen Ladungstrennung vollzogen, euch elektrostatisch aufgeladen und der Blitz an der Türklinke ist der Ladungsausgleich. Genau dieses Prinzip machen wir uns für unser Elektroskop zunutze.

SO WIRD’S GEMACHT

Schneidet ein großes quadratisches Stück Alufolie ab und formt eine Kugel daraus. Drückt ruhig etwas fester, sodass die Oberfläche möglichst glatt wird.

Als nächstes nehmen wir uns die Büroklammer vor. Falls sie beschichtet sein sollte, entfernt das Plastik mit der Schere. Oder ihr nehmt normalen Draht, dann braucht ihr etwa 10 cm. Biegt die Büroklammer auseinander oder vom Draht ein Ende um – es soll aussehen wie ein Spazierstock.

Aus der Pappe basteln wir einen Deckel für das Glas. Falls das Glas zufällig einen Plastikdeckel hat, könnt ihr auch den nehmen. Andernfalls legt ihr einfach das Glas mit der Öffnung auf die Pappe und fahrt den Umriss mit einem Stift nach. Schneidet den Pappdeckel großzügig entlang dieser Linie aus. Der Deckel darf ruhig etwas größer sein als die Öffnung, damit er nicht ins Glas fällt.

Stecht in die Mitte des Deckels ein kleines Loch, durch den der Draht gerade so durch passt. Um die Mitte zu finden, könnt ihr einen kleinen Trick benutzen.

Zeichnet zwei Linien an den Rand des runden Deckels. Die genaue Position ist egal, aber die beiden Linien sollten etwa rechtwinklig zueinander liegen. Benutzt dann das Geodreieck, um jeweils den Mittelpunkt der beiden Linien zu finden. Zeichnet euch eine kleine Markierung ein. Dann zeichnet ihr jeweils eine weitere Linie durch diesen Mittelpunkt, die senkrecht zur ursprünglichen Linie ist (die nennt man dann Mittelsenkrechte). Dort wo sich die beiden neuen Linien jetzt schneiden, ist der Mittelpunkt des Kreises.

Nach diesem kleinen Ausflug in die Geometrie geht es weiter mit unserem Elektroskop. Zeichnet zwei Flügel auf die Alufolie, wie in der Abbildung. Die Flügel sollten so groß sein, dass sie gut in das Glas passen.

Achtet darauf, dass die Spitze der Flügel nicht zu schmal wird. Denn dort stechen wir jetzt das gebogene Ende des Drahtes durch. Die beiden Flügel sollten leicht beweglich nebeneinander hängen. Sie müssen richtig platt sein – wenn die Alufolie viele Falten hat, ist der Effekt nicht so stark.

Jetzt kommt das gerade Ende durch das Loch im Deckel. Ihr könnt den Draht mit Klebeband befestigen, wenn ihr ausgemessen habt, wie weit er oben herausragen muss. Legt dazu testweise den Deckel auf das Glas und zieht den Draht oben so weit heraus, dass die Flügel etwa auf halber Höhe frei im Glas schwingen können.

Wenn der Draht fixiert ist, nehmt ihn noch einmal in die Hand und steckt die Aluminium-Kugel oben drauf. Legt den Deckel auf das Glas und befestigt ihn zum Schluss mit Klebeband am Glas.

Überprüft zum Schluss, dass die Kugel gut sitzt und dass die Flügel frei schwingen können und nicht verklemmt sind.

DAS ERSTE EXPERIMENT

Wenn euer Elektroskop fertig ist, solltet ihr es unbedingt gleich ausprobieren! Ein Elektroskop misst elektrische Ladung. Woher bekommt man elektrische Ladung? Ganz einfach: Sie ist überall. Besorgt euch ein Stück Plastik (CD-Hülle, Gummi-Schuhsohle, Plastiklöffel, …) und reibt es über einen Wollteppich oder etwas anderes aus möglichst zotteligem Stoff. Besonders gut funktioniert es mit einem aufgeblasenen Luftballon. Reibt damit an euren Haaren (sorry, Gel-Igelfrisur-Fans – ihr müsst vorher die Haare waschen und trocknen). Ihr könnt stattdessen auch den Luftballon an einem Teppich(boden) reiben. Berührt danach die Alu-Kugel mit dem Plastik und beobachtet die beiden Flügel. Wenn alles funktioniert, werdet ihr sehen: Die Flügel schwingen auseinander! Allein durch die Kraft der Ladung.

SO FUNKTIONIERT ES

Wenn ihr zwei verschiedene Stoffe aneinander reibt, passiert etwas, das Physiker Ladungstrennung nennen. Die negativen und positiven Ladungsträger trennen sich, dadurch lädt sich der eine Stoff positiv, der andere negativ auf. Wenn ihr dann mit einem der beiden die Alu-Kugel berührt, wird die Kugel entsprechend negativ oder positiv geladen. Da die Kugel über den Draht auch mit den beiden Flügeln im Glas verbunden ist, sind diese ebenfalls positiv oder negativ geladen. Und jetzt kommt ein weiteres physikalisches Prinzip zum Tragen, das ihr vielleicht schon mal gehört habt: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Auf den beiden Flügeln ist ja entweder ein Überschuss von Elektronen (wenn sie negativ geladen sind) oder ein Mangel an Elektronen (wenn sie positiv geladen sind). Da das bei beiden Flügeln der Fall ist, sind sie nicht mehr elektrisch neutral und die Ladungen, die auf den Flügeln sitzen, stoßen sich ab.

Wenn ihr jetzt mit eurer Hand oder einem großen metallischen Gegenstand wieder die Kugel berührt, können sich die Ladungen ausgleichen und die Flügel schwingen zurück.

WAS KANN ALLES SCHIEF GEHEN?

Wenn sich in eurem Elektroskop nix tut, kann das zum Beispiel daran liegen, dass die Flügel zu schwergängig aufgehängt sind. Sie sollten baumeln, wenn ihr das Glas leicht kippt. Falls das nicht der Fall ist, vergrößert das Loch an den Flügeln ein bisschen.

Die Hauptaufgabe eines Elektroskops ist es ja, elektrische Ladungen anzuzeigen. Wenn ihr keine elektrischen Ladungen auf die Kugel bringt, kann logischerweise auch nichts angezeigt werden. Versucht also, die Ladungstrennung mit verschiedenen Stoffen zu erreichen: Probiert ein anderes Plastik (ein Plastikstab wäre ideal) und andere Wollstoffe. Im schlimmsten Fall müsst ihr mit Plastik-Schlappern über den Teppich schlurfen. Ein kleiner Test, ob es funktioniert: Haltet das Plastik-Objekt (Schuh, CD-Hülle, Stab) an eine Türklinke. Wenn es einen kleinen Funken gibt, funktioniert diese Methode. Leider müsst ihr dann aber nochmal ran, denn der Funke war der Ladungsausgleich – danach müsst ihr erneut für Ladungstrennung sorgen.