Coulombkraft messen

Coulombkraft messen
Versuchsaufbau Coulombkraft messen
Kurzbeschreibung
Mithilfe einer digitalen Waage wird die Abstandsabhängigkeit der Coulombkraft gemessen
Kategorien
RUB
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek II: Q 1/2
Basiskonzept:	Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment, Schülergruppenexperiment, Schülerdemoexperiment
Anspruch des Aufbaus	leicht, mittel
Informationen
Name:	Vera Bisping
Kontakt:	${\text{vera.gehrke}}$@${\text{rub.de}}$
Uni:	Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in:	Dr. Rainer Wackermann

Charles Augustin de Coulomb zeigte 1785 experimentell mithilfe einer Drehwaage die 1/r²-Abhängigkeit der Coulombkraft. Der hier vorgestellte Versuch wurde eigenständig entwickelt um diese Abhängigkeit anhand eines einfachen Aufbaus im Rahmen von Schülerexperimenten untersuchen zu lassen. Als Messinstrument wird eine einfache Digitalwaage verwendet.

Didaktischer Teil

Die Coulombkraft weist diverse Parallelen zur Gravitationskraft auf. Die Stärke der Coulombkraft ist bestimmt durch das Produkt der Ladungen von Körpern, die Stärke der Gravitationskraft durch das Produkt der Massen und beide Kräfte nehmen mit 1/r² ab bzw. zu. Für ein übergreifendes, vernetztes Verständnis physikalischer Konzepte, ist es entscheidend, den Schülern diese Parallelen aufzuzeigen. Insbesondere durch die Tatsache, dass als Messmittel dieses Versuches eine Waage benutzt wird, ein Gegenstand, der den Schülern aus Zusammenhängen der Mechanik hinreichend bekannt ist, können die Schüler erleben, dass die Wirkungen von Kräften, das Verformen und die Bewegungsänderung von Gegenständen, bei allen Kräften identisch sind.

Versuchsanleitung

Aufbau

Benötigte Materialien

Skizze zum Versuchsaufbau

1 Digitale Waage (mg Genauigkeit)

1 Styroporwürfel

2 Ladungsträger auf Kunststoffstäben

1 Seil

2 Rollen mit Befestigungsvorrichtung für Stativstangen

1 Metermaß (Messlatte)

1 Schieber

Stativstangen

Muffen und Klemmen

Tischbefestigung für die Stativstangen

Durchführung

Skala zum Ablesen des Abstands

Zuerst werden die beiden Kugeln so positioniert, dass sich die Kugeln, bei einer auf dem Metermaß angezeigten Entfernung von 0 cm, gerade eben berühren und sich senkrecht übereinander befinden. Anschließend werden sie über den Schieber auf einen Abstand von 30 cm gebracht.

Die Waage wird eingeschaltet und die Anzeige auf Null gesetzt.

Beide Ladungsträgerkugeln werden mithilfe der Reibungselektrizität aufgeladen. Hierbei sollte darauf geachtet werden, weder die Position der unteren Kugel zu verändern, noch die obere Kugel aus ihrer Position aus zu lenken. Die Entfernung wird im Abstandsbereich von 35 cm bis 10 cm variiert und die durch die Waage angezeigte Masse notiert.

Hinweis:

1. Für die Messung wird die Form der Kugeln vernachlässigt, d.h. es wird von Punktladungen ausgegangen, die natürlich nicht vorliegen. Mit kleiner werdendem Abstand verfälscht diese Tatsache deutlich die Messergebnisse, daher kann es, je nach Größe der Kugeln, ratsam sein, den kleinsten gemessenen Abstand zu erhöhen. Bei einem zu großen Abstand sind die Kräfte zu klein, als dass sie von der Waage angezeigt werden könnten.

2. Es ist darauf zu achten, dass sich keine elektrostatisch aufgeladenen Personen in direkter Umgebung der Waage befinden, da diese auch zu einem Schwanken der Werte und somit zu einer Beeinträchigung führen können.

Ergebnisse

Aus dreimaliger Messung ergaben sich die in der Tabelle eingetragenen Messwerte. Die angezeigte Massenzunahme wurde mithilfe der Gleichung zur Gewichtskraft F=m*a in die wirkende Kraft umgerechnet. Die einzelnen Messwerte variieren zwischen den Messreihen, da die aufgetragenen Ladungen unterschiedlich groß waren.

Tabelle der aufgenommenen Messwerte

Auswertung

Ziel des Versuchs war es, die Abstandsabhängigkeit der Coulombkraft zu demonstrieren. Daher wurden die für die einzelnen Messungen berechneten Kräfte gegen 1/r² graphisch aufgetragen.

Graph: gemessene Kraft gegen 1/r²

Hier sieht man sehr deutlich, dass die wirkende Coulombkraft in jeder Messreihe proportional mit dem reziproken Abstandsquadrat wächst.

Sicherheitshinweise

Es wird nicht mit Netzspannung gearbeitet, sondern die Kugeln werden lediglich mit Stab und Fell aufgeladen, daher ist dieser Versuch auch als Schülerexperiment geeignet und kann ohne Bedenken durchgeführt werden.

Eventuelle Verletzungen durch die über Kopf angebrachten Stativstangen sind möglich, wenn diese nicht gut genug befestigt sind.

Es sollte darauf geachtet werden, dass die digitale Waage möglichst nicht elektrisch aufgeladen wird, da es sonst zur Funktionsbeeinträchtigung kommen kann.