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Elektrische Influenz und das Elektrometer

Elektrische Influenz - positive Metallkugel
Level 2 (für Schüler geeignet)
Level 2 setzt Schulmathematik voraus. Geeignet für Schüler.

Elektrisch positive / negative Ladung - Anziehung und Abstoßung
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Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

In der Natur gibt es Teilchen, die positive (+) und negative (-) elektrische Ladung tragen können. Wir nennen sie elektrisch geladene Teilchen (oder kurz: Ladungen).

  • Zwei positive Ladungen stoßen sich ab. Auch zwei negative Ladungen stoßen sich gegenseitig ab.
  • Eine positive und eine negative Ladung dagegen ziehen sich an.
Gleichnamige Ladungen (+) und (+) ODER (-) und (-) stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen (+) und (-) ziehen sich an.

Außerdem ist diese Anziehungs- und Abstoßungskraft größer, je näher sich die Ladungen zueinander befinden.

Ladung in der Nähe einer neutralen Metallkugel

Mit diesem Wissen können wir vorhersagen, was mit elektrischen Ladungen in einem bestimmten Material passieren wird, wenn wir Ladungen in seine Nähe bringen.

Betrachte eine Kugel aus einem Material, das frei bewegliche Ladungen hat. Das könnte beispielsweise ein Metall sein. Metalle haben nämlich solche freien Ladungen - die negativ geladenen Elektronen. Das heißt: Die Elektronen können innerhalb der Metallkugel frei bewegen. Die positiv geladenen Protonen dagegen sind fest verankert und können sich nicht bewegen. Würden sie sich frei bewegen, dann hätten wir keine Metallkugel mehr, sondern ein geladenes Gas.

Auch, wenn die Metallkugel aus positiven und negativen Ladungen besteht (Protonen und Elektronen), ist sie trotzdem nicht geladen. Wir sagen dazu auch: Die Metallkugel ist elektrisch neutral. Warum? Weil es in der Metallkugel genauso viele positive, wie negative Ladungen gibt und sie sind alle gleichmäßig in der Kugel verteilt. In der Summe neutralisieren sich diese Ladungen gegenseitig und die Metallkugel erscheint für uns ungeladen.

Was passiert nun, wenn wir ein Objekt (z.B. eine andere kleine Metallkugel) in die Nähe bringen? Es wird nichts passieren, da das Objekt auch nach außen elektrisch neutral ist. Interessant wird es, wenn wir ein geladenes Objekt nehmen! Dieses hat nämlich nicht die gleiche Anzahl an positiven und negativen Ladungen, sodass das Objekt insgesamt elektrisch geladen ist.

  • Wenn das Objekt mehr positive als negative Ladungen hat, dann ist es positiv geladen.
  • Wenn das Objekt mehr negative als positive Ladungen hat, dann ist es negativ geladen.
Elektrische Influenz - negative Metallkugel
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Kleine negativ geladene Metallkugel wird in die Nähe einer großen Metallkugel gebracht. Die negativen Ladungen auf der großen Kugel verschieben sich nach rechts.

Was würde also passieren, wenn wir ein negativ geladenes Objekt in die Nähe einer neutralen Metallkugel bringen?

Wir bringen also das negativ geladene Objekt in die Nähe der neutralen Metallkugel - ohne sie zu berühren. Dann wird das Objekt alle negativen Ladungen in der neutralen Metallkugel abstoßen. Die Elektronen in der neutralen Kugel werden sich also möglichst weit weg von dem Objekt entfernen. Die Elektronen können natürlich die neutrale Kugel nicht verlassen, aber sie werden zumindest den größtmöglichen Abstand zum Objekt suchen. Und genau diese Verschiebung von elektrischen Ladungen innerhalb eines Metalls wird elektrische Influenz genannt.

Und was ist mit den positiv geladenen Protonen innerhalb der neutralen Kugel? Sie werden schließlich von dem negativ geladenen Objekt angezogen! Ja, das werden sie! Doch, wie du bereits weißt, können sich die Protonen nicht frei bewegen. Sie sind fest in der Metallkugel verankert. Deshalb verschieben sich nur die freien Elektronen innerhalb der Metallkugel. Jetzt weißt du auch warum es wichtig ist, freie Elektronen zu haben, weil ohne freie Elektronen es keine elektrische Influenz gibt! In Isolatoren beispielsweise, die keine freien Ladungen haben, gibt es keine Influenz.

  • Je näher du das negativ geladene Objekt zur neutralen Kugel bringst, desto extremer werden die negativen Ladungen innerhalb der neutralen Kugel 'weggedrückt'.
  • Je weiter weg das negativ geladene Objekt zur neutralen Kugel ist, desto weniger stark werden die Elektronen innerhalb der neutralen Kugel 'weggedrückt'.

Ist die neutrale Metallkugel jetzt positiv oder negativ geladen, nachdem die freien Elektronen sich verschoben haben?

Beides! Es gibt zwar immernoch die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen, doch sie sind jetzt nicht mehr gleichmäßig verteilt! Die Elektronen haben sich aufgrund der Influenz auf der rechten Seite der Metallkugel versammelt (die Seite, die weiter weg ist von der negativen Kugel), siehe Illustration 2. Damit ist die rechte Seite negativ geladen und die linke Seite eher positiv geladen, da dort Elektronen fehlen.

Sobald wir das negative Objekt von der neutralen Kugel entfernen, werden sich die Elektronen wieder im Metall gleichmäßig verteilen und die Kugel wird dann wieder nach außen überall elektrisch neutral sein.

Was würde passieren, wenn wir ein positiv geladenes Objekt in die Nähe einer neutralen Metallkugel bringen?

Positiv geladene Kugel zieht freie Elektronen der elektrisch neutralen Kugel an.

In diesem Fall werden die frei beweglichen Elektronen in der neutralen Kugel von dem positiv geladenen Objekt angezogen. Damit verschieben sich die Elektronen auf die linke Seite der neutralen Metallkugel, sodass diese Seite gegenüber der rechten Seite negativ geladen ist.

Was würde passieren, wenn wir das positiv geladene Objekt mit der neutralen Kugel berühren?

Da wir vorher das Objekt nicht mit der Metallkugel berührt haben, konnten die freien Elektronen nicht aus der neutralen Metallkugel herauskommen. Durch die Berührung, die nun eine leitende Verbindung darstellt, können die Elektronen die Metallkugel verlassen. Sie werden in das positiv geladene Objekt wandern und dadurch den durch die Influenz entstandenen Ladungsunterschied auszugleichen versuchen.

Werden die beiden jetzt voneinander entfernt, so fehlen der ursprünglich neutralen Kugel die Elektronen. Diese sind ja auf das Objekt gewandert. Es gibt jetzt auf der Metallkugel mehr positive Ladungen als negative. Damit ist sie jetzt nicht mehr neutral, sondern positiv geladen.

  • Ein geladenes Objekt, das die Metallkugel nicht berührt, verschiebt nur die Ladungen. Die Metallkugel bleibt neutral, wenn das geladene Objekt wieder entfernt wird.
  • Ein geladenes Objekt, das die Metallkugel berührt, lädt sie auf.

Das Elektroskop: so weist du Ladungen nach

Die Influenz kann beispielsweise ausgenutzt werden, um nachzuweisen, ob ein Körper elektrisch geladen ist oder nicht. Das ist die Aufgabe von einem Elektroskop (manchmal Elektrometer genannt).

Elektroskop im ungeladenen Zustand.

Ein Elektroskop besteht aus zwei beweglichen, leichten Metallblättchen, die leitend mit einer Metallkugel befestigt sind (siehe Illustration 4). Die beiden Blättchen können sich gegenseitig abstoßen, wenn sie gleichnamige Ladung tragen. Normalerweise ist das Elektroskop elektrisch neutral.

Eine negative Kugel in der Nähe des Elektroskops bringt die beiden Metallblättchen zum Abstoßen.

Wird nun irgendein Objekt in die Nähe der Metallkugel des Elektroskops gebracht, so tritt elektrische Influenz ein, wenn das Objekt geladen ist.

Nehmen wir mal an, dass das Objekt negativ geladen ist - ohne, dass wir es wissen. Was passiert dann? Freie negativ geladene Elektronen auf der Elektroskopkugel werden versuchen, sich möglichst weit weg von diesem Objekt zu entfernen. Das heißt, sie werden in das Innere des Elektroskops auf die beiden Metallblättchen wandern, weil dort der größtmögliche Abstand zum geladenen Objekt ist.

Da die Metallblättchen nun beide negativ geladen sind, stoßen sie sich ab. Das werden wir mit unseren Augen sehen. Wir können also schlussfolgern, dass das Objekt elektrisch geladen sein muss. Wäre es nicht geladen, so würden die beiden Metallblättchen sich nicht vom Fleck rühren.

Können wir mithilfe des Elektroskops herausfinden, ob ein Objekt positiv oder negativ geladen ist?

Ja, wir können nicht nur herausfinden, OB ein Objekt geladen ist, sondern auch WELCHE Ladung es trägt. Dazu müssen wir unser Elektroskop beispielsweise negativ aufladen. Die Metallblättchen werden sich dadurch etwas abstoßen und eine bestimmte Gleichgewichtsposition einnehmen.

  • Bringen wir nun ein negativ geladenes Objekt (natürlich, ohne, dass wir es wissen) in die Nähe der Elektroskopkugel, so werden sich die beiden Metallblättchen noch stärker abstoßen, da durch Influenz mehr negative Ladungen, von dem negativ geladenen Objekt weg, auf die Blättchen wandern. Wir können also schlussfolgern, dass das Objekt negativ geladen sein muss!
  • Bringen wir stattdessen ein positiv geladenes Objekt (ohne, dass wir es wissen) in die Nähe der Elektroskopkugel, so werden sich die beiden Metallblättchen weniger abstoßen. Sie liegen jetzt also näher beieinander. Das positiv geladene Objekt zieht nämlich die negativen Ladungen an, sodass die Elektronen aus den Metallblättchen nach oben in die Elektroskopkugel wandern. Da jetzt weniger negative Ladungen auf den Metallblättchen sitzen, stoßen sie sich weniger ab. Wir können also schlussfolgern, dass das Objekt positiv geladen sein muss.