Es knistert bei Mya. Seit Paul im Bad die neue Abwasserleitung verlegt hat, liegt im Flur ein Reststück graues HT-Rohr, DN 50. Kater Erwin hat es sofort zu seinem Lieblingsmöbel erklärt: Morgens, mittags und abends reibt er sich daran, schnurrt wie ein Rasenmäher und sieht danach aus wie eine explodierte Pusteblume. Und jedes Mal, wenn Mya ihn streichelt, gibt es einen kleinen Blitz an ihrer Nasenspitze. „Schluss mit dem Geknister, das wird jetzt erforscht!“ (Erwin findet das Geknister übrigens super.) Theo und Paul sind wieder als Laborassistenten dabei. Dazu kommen Flocke und ihre Cousine Fussel: zwei winzige Holundermarkkugeln, die Theo mit Graphitspray leitfähig gemacht hat. Lumi ist als Lichtfleck völlig ungeladen und schaut gelassen zu.
Physik Klasse 11 (Leistungskurs). Die Sprüche sind albern, die Zahlen nicht: Kräfte werden mit dem coulombschen Gesetz gerechnet, k = 1/(4πε0) = 8,99 · 109 N·m²/C², e = 1,602 · 10−19 C. Ladungen messen wir meist in Nanocoulomb: 1 nC = 10−9 C. Mit Profi markierte Teile gehen etwas weiter. Weiter geht es auf den Seiten Elektrische Felder und Kondensatoren.
Myas Sicherheitsregel: Reibungselektrizität zwickt nur. Hochspannungsnetzgeräte aus der Schule dagegen nur mit Lehrkraft benutzen! Und Kater Erwin nie absichtlich aufladen. Er merkt sich so was. (Das Aufladen erledigt er ohnehin selbst, am Abwasserrohr.)
Links wird gerieben, rechts hängen Flocke und Fussel an dünnen Fäden (Länge 12 cm, je 0,05 g). Reibe zwei Dinge aneinander und tippe dann mit einem davon eine der Kugeln an. Beim Reiben wandern Elektronen von einem Körper auf den anderen. Wer Elektronen dazubekommt, ist danach negativ, wer welche abgibt, positiv. Mit dem Schieberegler hält Theo den ersten Gegenstand (Stab, Ballon …) an die Kugeln heran, ohne sie zu berühren.
Forschungsaufträge: ① Gib beiden Kugeln Ladung vom selben Gegenstand. Was passiert? ② Lade Flocke mit A und Fussel mit B. Und jetzt? ③ Entlade alles und halte nur den geriebenen Stab an die ungeladenen Kugeln heran. Erkläre, was du siehst. ④ Reibe mit dem Kupferrohr. Wo bleibt die Ladung? ⑤ Lass Erwin sich am Abwasserrohr reiben. Finde nur mit Flocke und Fussel heraus, welches Vorzeichen Erwin danach hat.
Mya will es genau wissen. Theos Kugel sitzt auf einem empfindlichen Kraftsensor, Pauls Kugel steht auf einem Schlitten mit Maßstab (beide Kugeln: Radius 1,5 cm). Mya lädt beide am Hochspannungsnetzgerät auf und kontrolliert die Ladung mit dem Ladungsmessgerät. Ziehe Pauls Kugel hin und her, ändere die Ladungen und notiere Messwerte. Wie hängt die Kraft F vom Abstand r der Kugelmitten und von den Ladungen Q1, Q2 ab?
| Nr. | r in cm | Q1 in nC | Q2 in nC | F in mN |
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Noch keine Messung. Tippe auf „Notieren“.
Pauls Rätselkugel: Paul hat seine Kugel heimlich geladen. Wie groß ist Q2 (mit Vorzeichen)?
Aufträge: ① Halte Q1 und Q2 fest und miss bei 5, 10, 15 und 20 cm. Zeichne F über r und über 1/r². ② Halte r fest und verändere die Ladungen. ③ Bestimme aus der Geraden k und ε0. ④ Knacke die Rätselkugel.
Der Kraftsensor misst auf etwa 1 % genau. Die Kugeln verhalten sich wie Punktladungen in ihren Mittelpunkten, solange sie nicht zu dicht beieinander sind.
Elektrischer Strom ist nichts anderes als bewegte Ladung. Das zeigt Flocke jetzt ganz wörtlich: Sie hängt an einem 1 m langen Faden zwischen zwei Metallplatten, die an einem Hochspannungsnetzgerät hängen (für diesen Versuch hat Theo sie auf Tischtennisball-Größe aufgepäppelt: Radius 1,5 cm, Masse 0,4 g). Berührt sie die Plusplatte, nimmt sie positive Ladung mit, wird abgestoßen und fliegt zur Minusplatte. Dort gibt sie die Ladung ab, wird negativ, und zurück geht's. Ein Messverstärker in der Zuleitung zeigt, wie viel Ladung pro Sekunde fließt: die Stromstärke I = ΔQ / Δt.
| Nr. | U in kV | d in cm | Fahrten | Q in nC | t in s | I in nA |
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Noch keine Messung. Starte eine 10-Sekunden-Messung.
Aufträge: ① Miss die Stromstärke bei 4 kV und bei 8 kV. Wie ändert sie sich, wenn U doppelt so groß ist? (Achtung: Es ist nicht das Doppelte!) ② Erkläre mit I = q · n / t, woran das liegt. ③ Bei welcher Spannung bleibt Flocke stecken?
In Myas Stehlampenkabel sind es keine Holundermarkkugeln, sondern freie Elektronen, die sich bewegen. Und zwar unglaublich viele: Bei 1 A fließen 6,24 Trillionen Elektronen pro Sekunde durch jeden Querschnitt. Lumi soll mitzählen. Aber wie schnell sind die Elektronen eigentlich? Mya wettet: „Meine Weinbergschnecke Schnecki ist schneller!“ Die Elektronen wandern mit der Driftgeschwindigkeit v = I / (n · e · A) Profi, wobei n die Anzahl freier Elektronen pro Kubikmeter ist.
Wenn die Elektronen so lahm sind: Warum geht das Licht trotzdem sofort an, wenn Mya auf den Schalter drückt? Probier den Lichtschalter aus.