Erzeugung einer Ladung
Beschreibung Erzeugung einer Ladung
Fast alles um uns herum funktioniert heutzutage mit elektrischem Strom. Und die simpelste Methode Strom zu erhalten ist über die Erzeugung von Ladungsdichten. In diesem Video zeige ich dir, was man unter dem "Erzeugen von Ladungen" versteht und bringe dir zwei einfache Wege zur Ladungserzeugung bei. Am Ende wirst du verstehen, nach welchem Prinzip dies funktioniert und du kannst sogar eigenständig ein Experiment bei dir zu Hause mit Hilfe von Ladungstrennung durchführen.
Transkript Erzeugung einer Ladung
Hallo und willkommen! Dies ist ein Lernvideo zum Thema „Ladungserzeugung‟. Mein Name ist Philip und ich will euch diesmal erklären, wie man Gegenstände und Objekte elektrisch laden kann, und was diese Ladungen für interessante Phänomene aufweisen. Am Ende werdet ihr verstehen, wie man makroskopische Ladungsdichten erzeugen und interessante Experimente damit durchführen kann. Ihr solltet zwar im Vorfeld schon etwas über Atome und elektrische Ladungen wissen, aber zu Anfang werden wir die groben Grundlagen nochmals wiederholen. Danach schauen wir uns ein paar leichte Experimente an, wie auch ihr zuhause bei euch Ladungen erzeugen könnt. Wir werden hierbei speziell auf die Trennung durch Reibung und die Influenzmethode eingehen. Am Ende werden wir beide Prinzipien kombinieren und so einen verblüffenden Trick konstruieren. Doch beginnen wir von vorne: Jegliche Materie um uns herum besteht aus Atomen. Diese sind aufgebaut aus je einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Atomkern ist hierbei eher schwer und positiv geladen. Die Atomhülle hingegen besteht aus sehr leichten Elektronen. Sie sind negativ geladen und sind um den Atomkern herum angeordnet. Diese beiden entgegengesetzten Ladungen heben sich im Allgemeinen gegeneinander auf. Von außen betrachtet scheint das Atom somit ungeladen beziehungsweise neutral. Wenn wir nun davon reden, Ladungen zu erzeugen, so ist eigentlich Ladungen trennen gemeint. Denn die Ladungen gibt es ja schon. Sowohl der positive Atomkern als auch die negativen Elektronen werden ja nicht von uns erschaffen. Wir werden lediglich versuchen, die Atomkerne von den Elektronen zu trennen. So können sie sich nicht mehr gegenseitig kompensieren und wir erhalten eine makroskopisch nutzbare Ladungsverteilung. Die erste, sehr simple Methode, Ladungen eines Atoms zu trennen, ist durch Reibung. Schauen wir uns das an einem Beispiel etwas genauer an. Wir reiben hierzu mehrfach mit einem Synthetiktuch über einen Stab aus Plastik oder Plexiglas. Natürlich kann man auch viele andere Materialien benutzen, wie zum Beispiel Fell oder Gummi. Anfangs sind beide elektrisch neutral. Es befinden sich also genauso viele negative wie positive Ladungen auf ihnen. Durch die Reibung werden die leichten Elektronen nun einfach aus dem Tuch herausgelöst, sie werden quasi von dem Stab mitgerissen. Tut man dies nun mehrmals, so befinden sich im Tuch kaum noch Elektronen, sondern nur noch die schweren, unbeweglichen Atomkerne. Das Tuch ist also positiv geladen. Gleichzeitig sind auf den Stab jede Menge Elektronen gewandert, er ist nun negativ geladen. Durch Reibung ist es also möglich, Ladungen zu trennen und so Objekte elektrisch zu laden. Die zweite übliche Methode ist die Trennung über Influenz. Influenz bezeichnet hierbei zum Beispiel die Krafteinwirkung von geladenen Teilchen untereinander. Also nichts anderes, als dass sich gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Um nun über Influenz eine Ladungsdichte zu erzeugen, benötigen wir erstmal ein bereits geladenes Objekt. Wir nehmen hierfür eine negativ geladene Plastikkugel, die wir zum Beispiel durch Reibung elektrisch geladen haben. Wenn wir nun einen Stab aus einem leitenden Material in die Nähe dieser Kugel bringen, so wirkt eine Kraft auf alle geladenen Teilchen im Stab. Der Stab soll am Anfang natürlich elektrisch neutral sein. Er besitzt also gleich viele negative und positive Ladungen. Da die Kugel negativ geladen ist, werden die Elektronen des Stabs abgestoßen und die Atomkerne von ihnen angezogen. Atomkerne sind nun in der Regel sehr schwer und sehr stark im Material gebunden, sie können sich deswegen nicht bewegen. In einem Leiter können sich die Elektronen hingegen leichter bewegen. Die Elektronen nahe der geladenen Kugel werden also von dieser in das hintere Ende des Stabes gedrängt. Dadurch werden sie von den Atomkernen getrennt und es entstehen zwei Ladungsverteilungen. Die eine Seite des Stabes ist nun positiv, die andere negativ geladen. Würde man die geladene Plastikkugel nun wegnehmen, so würden die Elektronen wieder zurückwandern und der Stab wäre erneut ungeladen. Doch bricht man zum Beispiel den Stab in der Mitte durch, so hätte man permanent eine positiv und eine negativ geladene Hälfte. Wir haben nun also eine weitere Möglichkeit gefunden, Ladungen zu trennen. Betrachten wir nun eine kleine, lustige Anwendungsmöglichkeit, die ihr einfach zuhause ausprobieren könnt. Alles, was ihr braucht, ist ein Luftballon. Diesen pustet ihr ganz normal auf eine schöne Größe auf. Macht euch außerdem auf etwas körperlichen Einsatz gefasst. Der Luftballon ist anfangs natürlich elektrisch neutral. Doch wenn ihr ihn nun an eurem T-Shirt, eurem Pullover oder euren Haaren einige Male reibt, so entsteht eine Ladungstrennung durch Reibung. Die Elektronen von eurer Kleidung oder euren Haaren wandern auf den Luftballon und dieser wird negativ geladen. Doch was bringt uns nun ein negativ geladener Luftballon? Naja, wenn ihr die geladene Seite des Luftballons nun leicht an eine Wand drückt, so bleibt der Luftballon dort quasi kleben. Ganz ohne Nagel, Kleber oder Festhalten. Die negative Ladung des Luftballons schiebt die Elektronen der Wand nach hinten. Damit wird die Vorderseite der Wand positiv polarisiert und zieht den negativ geladenen Ballon an. Es findet also eine Ladungstrennung durch Influenz statt. Das könnt ihr auf der nächsten Party ja mal ausprobieren. Ich verabschiede mich hiermit und wünsche euch noch viel Spaß beim Experimentieren, euer Philip Physik.
Erzeugung einer Ladung Übung
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Gib an, wie sich Ladungen erzeugen lassen.
TippsErzeugen von Ladungen meint eigentlich die Trennung von Ladung.
Es gibt mehrere Methoden, um Reibung zu erzeugen.
LösungWenn man vom Erzeugen von Ladungen spricht, meint man eigentlich die Trennung von Ladung. Dabei werden die Elektronen örtlich von den Protonen getrennt. So entsteht ein Ort mit Elektronenüberschuss (negativ geladen) und ein Ort, der positiv geladen ist (Elektronenmangel).
Diese Trennung können wir mittels Reibung oder Influenz erreichen.
Bei der Trennung durch Reibung werden zwei Gegenstände aneinander gerieben. Dabei gehen die Elektronen des einen auf den anderen Gegenstand über und wir erhalten einen negativ und einen positiv geladenen Gegenstand.
Nutzen wir die Influenzmethode, so trennen wir die Ladung durch die Kraft, die aus der Abstoßung der gleichnamigen Ladungen resultiert. Bei einem Stab heißt das: Die Elektronen bewegen sich an das gegenüberliegende Ende, sobald wir einen negativ geladenen Stab an ein Ende halten. Die Ladungen werden also getrennt und wir sprechen davon, dass makroskopisch gesehen Ladung erzeugt wird.
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Gib an wie die Trennung durch Reibung funktioniert.
TippsEine einfache Methode der Trennung von Ladung ist die Trennung durch Reibung.
Elektronen des Tuches werden an den Stab abgegeben.
Genaugenommen wird keine Ladung erzeugt, sondern lediglich der Aufenthaltsort der Elektronen verändert.
LösungEine einfache Methode der Trennung von Ladung ist die Trennung durch Reibung.
Dabei reibt man etwa ein Tuch an einem Stab. Dadurch werden zahlreiche Elektronen des Tuches an den Stab abgegeben, sodass ein Elektronenüberschuss auf dem Stab und somit eine makroskopisch messbare Ladung entsteht.
Genauer genommen wird also keine Ladung erzeugt, sondern lediglich der Aufenthaltsort der Elektronen verändert. Man spricht vom Erzeugen von Ladung durch Ladungstrennung.
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Erkläre die Influenzmethode.
TippsLadung wird durch Trennung erzeugt.
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
Elektronen sind relativ frei beweglich, Atomkerne sind fest.
LösungFür die Infuenzmethode benötigt man einen geladenen Gegenstand. Mit diesem können dann andere Körper beeinflusst werden.
Bei der Ladungstrennung durch Influenz wird die Tatsache genutzt, dass gleichnamige Ladungen sich abstoßen.
Sobald ein elektrisch neutraler Körper an einen etwa negativ geladenen zweiten Körper gehalten wird, wirkt eine Kraft zwischen den Ladungsträgern. Dadurch werden die Elektronen vom einen Ende des neutralen Körpers an das andere bewegt und somit eine Ladung messbar.
Ein einfacher Versuch, um Influenz nachzuweisen ist, einen elektrisch negativ geladenen Ball an ein Ende eines neutralen Stabes zu halten. Die Ladung auf dem Stab wird neu verteilt, denn die Elektronen werden von dem Ball nahen Stabende zu dem entfernten Ende des Stabes bewegt. Brechen wir den Stab in der Mitte durch, so erhalten wir einen positiv und einen negativ geladenen Teilstab.
Es wird also Ladung erzeugt, obwohl dem Stab kein einziges Elektron zugefügt wird.
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Bestimme, was passiert.
TippsBerühren sich zwei Körper, sind diese elektrisch als ein einzelner anzusehen.
Elektronen streben stets den elektrisch günstigsten Zustand an.
Eine Grundbedingung der Influenz ist es, dass Ladung nicht einfach von dem einen auf den anderen Körper übertreten kann.
LösungEine Grundbedingung der Influenz ist es, dass Ladung nicht einfach von dem einen auf den anderen Körper übertreten kann.
Doch warum ist das so ?
Sobald ein Kontakt zwischen einem ungeladenen und einem geladenen Körper besteht, verteilen sich die Elektronen gleichmäßig auf beiden Körpern. Man sagt: Sie streben Ladungsausgleich an, den energetisch günstigsten Zustand.
Der Effekt der Influenz kann also nur solange beobachtet werden, wie die beiden betrachteten Objekte örtlich klar voneinander getrennt sind.
Bei einem sehr großen Ladungsunterschied zwischen Stabenende und Ball können sich die Ladungen sogar über einen Luftspalt hinweg ausgleichen. Das kannst du etwa bei einem Blitzschlag beobachten. Die enorme negative Ladung, die durch die Reibung in den Wolken entsteht, gleicht sich über mehrere Kilometer Luft hinweg bis auf den Boden hin aus.
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Gib an, wie der Partytrick mit dem Ballon funktioniert.
TippsBedenke die Mechanismen der Ladungstrennung.
Die oberste Schicht der Wand wird positiv geladen.
Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an
LösungIndem du den Ballon an deinem Shirt reibst, wird dieser durch „Trennung mittels Reibung“ elektrisch negativ geladen.
Hältst du den negativ geladenen Ballon nun an die Wand, so werden die negativen Teilchen in der Wand abgestoßen (Influenz) und dadurch die oberste Schicht der Wand positiv geladen.
Die ungleichnamigen Ladungen ziehen sich an und der Ballon scheint an der Wand zu kleben.
Probiere es doch mal selbst aus.
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Analysiere, wovon die Intensität abhängt.
TippsElektronen können sich durch verschiedene Materialien unterschiedlich gut bewegen.
Die Stärke von elektrischer Abstoßung ist variabel.
Es ist schwerer, starke Magneten zu trennen, die nahe aneinander liegen, als schwache, weit entfernte.
LösungDie Ursache der Influenz ist die Kraft auf die Teilchen des Stabes, welche ihre Herkunft in der Abstoßung gleichnamiger Teilchen hat.
Ist diese Abstoßungskraft groß, so ist auch der Effekt der Influenz auf den Stab groß.
Je näher wir den Ball also an das Stabende halten, desto stärker ist die wirkende Kraft und desto stärker ist die Influenz. Wir können diesen Effekt dadurch verstärken, dass wir eine größere Ladung auf dem Ball aufbringen. Auch in diesem Fall würde mit der Kraft die Influenz verstärkt.
Die elektrotechnischen Eigenschaften der verwendeten Materialien haben dabei einen großen Einfluss auf die Influenz. Verwenden wir einen Leiter, ist der Effekt der Influenz größer, als würden wir einen Nichtleiter verwenden. Das liegt daran, dass die abgestoßenen Elektronen sich leicht durch den Leiter bewegen können und so das entfernte Stabende schnell erreichen können. In einem Nichtleiter ist dies viel schwieriger.
Keinen direkten Einfluss auf die Influenz nimmt etwa die Länge des Stabes. Auch ist es egal, ob der Ball negativ oder positiv geladen ist. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die negativen Teilchen des Stabes bei positiv geladenem Ball angezogen würden. Das dem Ball zugewandte Ende würde somit negativ.
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26 Kommentare
Hab’s noch nicht angeguckt, wird aber bestimmt nice.
ich bin fasziniert
Langweilig
Hallo, aus der Übung 4 ist ablesbar, dass überschüssige Elektronen abgegeben werden. Im Video wird aber nur von Verschiebung von Elektronen im Stab gesprochen. Wie kommt das?
Echt super Video. Schön gestaltet damit auch Deppen wie ich das verstehen👌👌