Statische Elektrizität

Statische Elektrizität Übung

• Vervollständige den Text über statische Elektrizität.

  Tipps

  Die Ladungsmenge ist entscheidend. Sie wird immer neutralisiert und ist bei kleinen Mengen nicht gefährlich.

  Lösung

  Bei der statischen Elektrizität sammeln sich, ähnlich wie bei der fließenden Elektrizität, Ladungen an. Sie sammeln sich in Isolatoren, also Materialien, die keinen Strom leiten. Berührt man jedoch mit einem elektrischen Leiter einen Isolator, so kann die angesammelte Ladung fließen. Hierbei wird sie neutralisiert. Das spüren wir manchmal als Schlag, wenn wir einen Gegenstand berühren. Dies ist für uns bei kleinen Ladungsmengen nicht so gefährlich, wie bei großen Ladungsmengen.

• Nenne die Eigenschaften der statischen Elektrizität.

  Tipps

  Fließende Elektrizität entsteht nicht an Isolatoren.

  Elektrische Ladungen, die von den Rotorblättern aus der Luft gesammelt werden, sind negativ.

  Lösung

  Statische Elektrizität ist eine Ansammlung von Ladungen an Gegenständen. Diese werden z. B. durch Reibung verursacht. Bei statischer Elektrizität entstehen diese Ladungen an sogenannten Isolatoren. Ein Isolator ist ein Material, das elektrische Ladungen normalerweise nicht weitergibt. Berührt man mit einem Leiter einen Isolator, werden die Ladungen neutralisiert. Bei einem fliegenden Helikopter, dessen Rotorblätter negativ geladene Elektronen aus der Luft sammeln, dienen der Helikopter und das Band zum Abseilen des Piloten als Leiter. Damit der Retter keinen gefährlichen Schlag bekommt, weil er das leitende Band anfasst, muss es isoliert werden.

• Erkläre das Experiment zur Ladungsverteilung.

  Tipps

  Die Aluminiumkugel ist zunächst elektrisch neutral. Sie nimmt die Ladung auf, auf die sie zuerst trifft.

  Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

  Lösung

  Die Aluminiumkugel hängt in der Mitte zweier Platten an einer Schnur in der Luft. Sie ist elektrisch neutral. Erst wenn sie in Kontakt mit einer der Platten kommt, ändert sie ihre Ladungsmenge. Wird die Kugel angestoßen und trifft auf die linke Platte mit dem Elektronenüberschuss, nimmt die Kugel das Mehr an Elektronen auf. Nun wird sie von der rechten Platte, welche positiv geladen ist, angezogen, da ungleichnamige Ladungen sich anziehen. Dort gibt sie Elektronen ab. Somit herrscht auf der Oberfläche der Kugel Elektronenmangel (sie ist jetzt positiv geladen). Nun wird sie wieder von der negativ geladenen Platte angezogen. Dieser Vorgang wiederholt sich von alleine.

• Erschließe die Größen in der Formel $Q=n\cdot e$.

  Tipps

  Die Formel drückt aus, dass das Produkt aus der Anzahl der Teilchen und der kleinsten frei existierenden elektrischen Ladungsmenge gleich der elektrischen Ladung ist.

  Die Elementarladung ist die Ladung eines kleinsten frei existierenden Teilchens.

  Lösung

  Im Video hast du Bilder von abstehenden Haaren oder auch kleiner elektrischer Schläge gesehen. Die elektrische Ladung, die hierbei übertragen wird, kann man auch berechnen.

  Dazu nimmt man die Formel: $Q=n \cdot e$.

  Hierbei ist $Q$ die elektrische Ladung. Sie setzt sich aus der Anzahl der Teilchen $n$ (in diesem Fall Elektronen), die bewegt werden, sowie der Elementarladung $e$ zusammen.

  Hierbei gilt, dass die Elemetarladung die kleinste Ladungsmenge ist. Sie trägt die Ladung $1,6022\cdot{10^{-19}}\text{ C}$. Die Elektrizitätsmengen werden in der SI-Einheit $\text{C}$ (Coulomb) gemessen.

  Eine Ladung von $1\text{ C}$ beinhaltet $6,241\cdot{10^{18}}$ Elementarladungen.

• Gib Beispiele für statische und fließende Elektrizität an.

  Tipps

  Bei statischer Elektrizität handelt es sich um elektrische Leitungsvorgänge, die keinen elektrischen Leiter benötigen.

  Bei fließender Elektrizität wird ein stromführender Leiter gebraucht.

  Lösung

  Man unterscheidet zwischen statischer und fließender Elektrizität. Statische Elektrizität ist ein Phänomen, das aus Ansammlungen von Ladungen an Gegenständen resultiert. Bei fließender Elektrizität werden die Ladungen mit Hilfe eines Leiters bewegt. Somit ist z. B. ein Gewitter, die abstehenden Haare, der geriebene Ballon oder auch das Berühren Anderer ein Phänomen der Elektrostatik. Hierfür wird kein Leiter benötig. Alle anderen Bilder, wie die Batterie, die Lampe, der Föhn oder auch die Steckdose benötigen einen Anschluss an eine Stromquelle.

• Ermittle die gesuchte Anzahl der Elektronen.

  Tipps

  Die Formel lautet:

  • $Q= n\cdot e$.

  Dabei ist $Q$ die elektrische Ladung, $n$ die Anzahl der Teilchen und $e$ die Elementarladung.

  Stelle die Formel aus Tipp 1 nach der Anzahl der Teilchen um.

  Potenzen mit gleicher Basis werden dividiert, indem man ihre Exponenten subtrahiert. Der Bestandteil „Milli“ der Einheit $\text{mC}$ steht dabei für $10^{-3}$.

  Zehnerpotenzen werden dividiert, indem man ihre Exponenten subtrahiert. Achte dabei auf die Vorzeichen der Exponenten.

  Lösung

  Folgende Größen sind uns bekannt:

  $Q=1,2\ \text{mC}$
  $e \approx 1,6022\cdot {10^{-19}}\ \text{C}$

  Wir benötigen die Formel $Q= n\cdot e$.

  Dabei ist $Q$ die elektrische Ladung, $n$ die Anzahl der Teilchen und $e$ die Elementarladung. Wir stellen die Formel nach der Anzahl der Teilchen um, setzen die Größen ein und rechnen:

  $n= \frac{Q}{e}=\frac{1,2\ \text{mC}}{1,6022\cdot {10^{-19}}\text{C}}=\frac{1,2\cdot 10^{-3} \text{C}}{1,6022\cdot {10^{-19}}\text{C}} \approx 0,75\cdot 10^{16}=7,5\cdot 10^{15}$