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Wimshurstmaschine

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Wimshurstmaschine
kurzer Infotext zum Bild

Wimshurstmaschine ohne angeschlossene Materialien

Kurzbeschreibung
Die beschriebene Versuchsreihe stellt Möglichkeiten vor qualitative Aspekte der Elektrostatik mithilfe der Wimshurstmaschine zu demonstrieren.
Kategorien
Elekrizitätslehre, Elektrostatik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7, Klasse 8, Klasse 9, Klasse 10 und Sek. II
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Demonstrationsexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Stephen Mayer
Kontakt: stephen@physik.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Johannes Schulz
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Die Wimshurstmaschine oder auch Influenzmaschine erzeugt durch Influenz hohe elektrische Spannungen. Viele grundlegende oder weiterführende Versuche der Elektrostatik lassen sich mithilfe der Wimshurstmaschine durchführen. Daher eignet sie sich, ein Spiralcurriculum zu diesem Themenfeld zu begleiten und zu verschiedenen Zeitpunkten den Lernstoff experimentell zu demonstrieren. In diesem Artikel wird ein Curriculum vorgestellt, das aus den drei Versuchen Büschelelektroskop, elektrisches Glockenspiel und Spitzenrad besteht.


Didaktischer Teil

Die Themen der Elektrostatik tauchen im Rahmenlehrplan jeder Jahrgangsstufe (vgl. [1] und [2]) auf, sind von verschiedener Komplexität und einige Teilgebiete setzen als Grundlage andere voraus. Daher bietet es sich an, einem Spiralcurriculum nachzugehen, um den Schülerinnen und Schülern das zugehörige Wissen zu vermitteln. Eine mögliche Herangehensweise liefert die folgend angeschnittene Versuchsreihe. Diese besteht in diesem Artikel aus drei qualitativen Demonstrationsexperimenten, die mithilfe der Wimshurstmaschine durchgeführt werden. Die vorgestellten Experimente können in zwei Stufen, zur Verdeutlichung des Spiralcurriculums hier "Umdrehungen" genannt, eingeteilt werden. Das Büschelelektroskop und das elektrische Pendel ermöglicht den Schülerinnen und Schülern nachzuvollziehen, wie sich Ladungen untereinander verhalten. Das Spitzenrad verdeutlicht, dass die elektrische Ladung von Teilchen getragen wird.

Somit bietet das Wissen, das in der ersten "Umdrehung" aufgebaut wird, den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit vorherzusagen, wie sich verschiedene, geladene Körper verhalten, wenn sie aufeinander treffen. In der zweiten "Umdrehung" wird dieses Wissen nun erweitert. Dazu wird den Schülerinnen und Schülern vermittelt, dass die elektrische Ladung von Materie getragen wird und sich somit für den Ladungsaustausch verschiedene Konsequenzen, zum Beispiel durch die Impulserhaltung, ergeben. Das Wissen der ersten "Umdrehung" ist auch in die beiden möglichen Erklärungen des Spitzenrads eingebettet.

  • Falls das Rad an die negativ geladene Elektrode angeschlossen ist, ist die Erklärung, darauf zurückzuführen, dass die Elektronen im Rad sich gegenseitig abstoßen, da sie gleich geladen sind.
  • Falls es jedoch an die positiv geladene Elektrode angeschlossen ist, werden Luftmoleküle mit Dipolcharakter bzw. deren Minuspol von der positiven Ladung des Rades angezogen.

Allerdings lässt sich das Ergebnis nicht mehr alleine mit dem Prinzip von Anziehung und Abstoßung erklären, da auf makroskopischer Ebene kein Gegenpart zum Spitzenrad zu erkennen ist, der es abstoßen oder anziehen könnte. Zur Erklärung muss deshalb die Teilcheneigenschaften der Ladung zu Hilfe genommen werden. Dass für die Erklärung auch der Impulserhaltungssatz benötigt wird, ist ein weiteres Argument für ein Spiralcurriculum, da dieser meistens erst nach den grundlegenden Kenntnissen ("Umdrehung" 1) der Elektrostatik behandelt und verstanden wird.

Zusätzlich ist es durchaus sinnvoll weitere "Umdrehungen" hinzuzufügen. So könnte das elektrische Feld, das verschieden geformte Körper erzeugen, die mit der Wimshurstmaschine geladen werden, untersucht werden. Dies kann entweder qualitativ nur durch Probeladungen oder quantitativ mit Probeladungen und Kraftmessern durchgeführt werden.

Versuchsanleitungen

Da für alle vorgestellten Versuche die Wimshurstmaschine benötigt wird, beginnt dieser Teil mit der Erklärung ihrer Funktionsweise. Diese ist hauptsächlich der Bedienungsanleitung von Phywe entnommen [3].


Funktionsweise der Wimshurstmaschine

Die Wimshurstmaschine ist ein Gerät, mit dem hohe Spannungen erzeugt werden können. Dies geschieht durch Ausnutzung von Influenzeffekten. Kleine zufällig auftretende Ladungen einzelner Metallbeläge werden genutzt um eine Kaskade an Ladungstrennugen zu erzeugen, welche die Spannungen verursachen. Die essenziellen Bauteile der Wimshurstmaschine für die Ladungstrennung sind:


Frontansicht der Wimshurstmaschine Rückansicht der Wimshurstmaschine Profilansicht der Wimshurstmaschine
WimshurstmaschineZahlenvorne.jpg WimshurstmaschineZahlenhinten.JPG WimshurstmaschineZahlenprofil.jpg
  • (1) Metallbelag auf der vorderen Scheibe
  • (2) Schalthebel links
  • (3) Schalthebel rechts
  • (4) Kugelelektroden
  • (5) Kondensatoren
  • (6) Querleiter
  • (7) Metallbelag auf der hinteren Scheibe der Belag (1) gegenüberliegt
  • (8) Metallbelag auf der hinteren Scheibe der Belag (7) diametral gegenüberliegt
  • (9) Kämme links
  • (10) Kämme rechts


Zur Anschaulichkeit wird angenommen, dass der Belag (1) auf der vorderen Scheibe positiv geladen sei. Dadurch trennen sich die Ladungen im gegenüberliegenden Metallbelag (7) auf der hinteren Scheibe. Die negativen Ladungen werden nach vorn in Richtung des positiv geladenen Belags gezogen, die positiven nach hinten abgestoßen. Ist die Stellung der Scheiben nun so, dass der hintere Belag den hinteren Querleiter (6) berührt, sind beide leitend verbunden. Zudem ist am anderen Ende des Querleiters ein weiterer Belag (8) der hinteren Scheibe leitend mit diesem verbunden. Dadurch werden die negativen Ladungen zum Belag (7) bewegt, die positiven zum Belag (8). Drehen sich die Scheiben nun weiter, wird die leitende Verbindung gekappt und die beiden Beläge (7) und (8) sind geladen.

Auf dem Weg zu den Kämmen (9) oder (10) trennen die geladenen Beläge (7) und (8) die Ladungen in allen Belägen der vorderen Scheibe, die sie dabei passieren, und in denen, die diesen auf der vorderen Scheibe diametral gegenüberliegen. Das geschieht auf die selbe Weise wie es der zu Beginn positiv geladene Belag (1) mit den Belägen (7) und (8) getan hat.

Erreichen die geladenen Beläge einen der Kämme, wird die Ladung abgenommen und entweder in den Kugelelektroden (4) oder, falls diese mithilfe der Schalthebel (2) und (3) angeschlossen sind, in den Leidener Flaschenkondensatoren (5) gespeichert. Die Ladungsabnahme geschieht nicht durch eine leitende Verbindung, sondern über die Luft. Auf beiden Scheiben kommen aus unterschiedlichen Richtungen gleich geladene Beträge an, die bis zum Kamm nur neutrale Beläge passiert haben. Sobald sie den Kamm erreichen liegt ihnen zum ersten Mal ein geladener Belag gegenüber. Da dieser die selbe Ladung trägt, stoßen sich beide Ladungen der Beläge ab und, sofern die Spannung groß genug ist, gelangen diese durch die Luft zu den umgebenden Kämmen (vgl. [4]).

Nachdem die Ladung der einzelnen Beläge an die Elektroden bzw. Kondensatoren abgegeben wurde, werden diese auf dem Weg zum nächsten Kamm erneut geladen, allerdings mit einem anderen Vorzeichen, dadurch nimmt ein Kamm nur negative Ladungen auf und der Andere nur positive. Somit entwickelt sich eine Kaskade der Ladungstrennung, welche dazu führt, dass die Elektroden bzw. Kondensatoren sich immer weiter aufladen. Dieser Vorgang dauert an, bis die Kapazität der Elektroden bzw. Kondensatoren erreicht wird und die Spannung, die über der Strecke zwischen den Elektroden anliegt, durch einen Blitz zusammenbricht. Da die Kapazität mit angeschlossenen Kondensatoren größer ist, kann mit angeschlossenen Kondensatoren mehr Ladung aufgenommen werden und somit dauert es länger bis ein Blitz entsteht.


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WimshurstmaschinerechtsweglinksangeschlossenKondensator.jpg The media player is loading...

High-Speed-Aufnahme der Wimshurstmaschine in Betrieb mit

angeschlossenen Kondensatoren.

Dargestellt sind die verschiedenen Stellungen der Schalthebel. Der Kondensator links ist angeschlossen der rechts vom Rest der Maschine getrennt. Es ist üblich, beide gleich einzustellen. Wimshurstmaschine in Betrieb ohne angeschlossene

Kondensatoren (normale Geschwindigkeit). Die Blitze sind schwer zu erkennen, am Besten wird das Video im Vollbildmodus angesehen.


Sollten nach dieser Erklärung noch Verständnisschwierigkeiten oder Vorstellungsprobleme existieren, empfiehlt es sich einfach an der Wimshurstmaschine bunte Klebezettel anzubringen, die für die verschieden Ladungen stehen, wie beispielsweise zu Beginn einen Klebezettel für die initiale Ladung. Anschließend kann man die Kurbel ein bisschen betätigen und beobachten, welche anderen Bestandteile der Maschine in die Nähe dieser Ladung kommen und sich überlegen, welche davon durch diese Ladung beeinflusst werden. So können die beschreiben Vorgänge Schritt für Schritt nachvollzogen werden.


Offene Fragen

  • Bei den Versuchen mit der Wimshurstmaschine ist aufgefallen, dass immer dieselbe Elektrode negativ geladen wurde und entsprechend immer die Andere positiv. Diese Tatsache passt nicht in das Bild der hier gegebenen Erklärung, da die initiale, zufällige Ladung leicht das Vorzeichen wechseln kann. Dadurch drehen sich alle folgenden Vorzeichen um und somit auch die der Elektroden. Die Bedienungsanleitung geht hier lediglich darauf ein, dass sich "nur nach längeren Pausen [...] die Pole ändern" [5] können.


  • Zudem funktioniert die Maschine nur bei Betätigung der Kurbel in eine Richtung, welche durch Einstellen der Gummiriemen gewählt werden kann. In der Anleitung ist dies als normal dargestellt (vgl. [6]), jedoch sollte es keine Rolle spielen von welcher Seite die Ladung an die Kämme gelangt. Denn egal in welche Richtung gedreht wird, ein Kamm erhält die Ladung von oben und der Andere von unten.

Büschelelektroskop

Zielsetzung

In diesem Experiment soll gezeigt werden, dass sich Körper, die gleichnamige Ladungen tragen, abstoßen.

Aufbau

Dargestellt ist das an die Wimshurstmaschine angeschlossene Büschelelektroskop

Benötigt werden:

  • Wimshurstmaschine Hersteller: Leybold Didaktik Nr.: 541 652
  • Aus dem Gerätesatz zur Elektrostatik von Leybold Didaktik Nr.: 541 68
    • Stativstab mit Halte- und Verbindungsbuchse
    • Büschelektroskop
  • 1 kurzes Steckkabel


Aufbau:

Die Elektroden der Wimshurstmaschine werden so weit wie möglich voneinander entfernt, um eine Entladung zu vermeiden. Eine der Elektroden wird per Steckkabel mit der Stativstange verbunden (Kabel in die Anschlussbuchse). In die Haltebuchse wird das Büschelelektroskop gesteckt.

Durchführung

Die Kurbel der Wimshurstmaschine wird betätigt, bis die einzelnen Papierstreifen nicht mehr weiter in verschiedene Richtungen gebogen werden. Anschließend können die Elektroden der Wimshurstmaschine zusammengeführt werden und das Steckkabel aus der einen Elektrode herausgenommen und in die Andere hineingesteckt werden. Daraufhin kann dieselbe Prozedur erneut durchgeführt werden.

Ergebnisse

Für beide Anschlüsse kann beobachtet werden, dass die Papierstreifen des Büschelelktroskops sich voneinander entfernen, indem sie sich biegen.
Büschelelektrokungeladen.jpg Büschelelektrokgeladen.jpg
Das Büschelelektroskop vor dem Experiment Das Büschelelektroskop während des Experiments

Auswertung

Da das Büschelelektroskop immer nur an eine Elektrode gleichzeitig angeschlossen ist, wird es auch immer nur mit einer Sorte von Ladung aufgeladen. Diese Ladung wird auch auf die Papierstreifen des Elektroskops übertragen, weshalb alle Ladungen der einzelnen Streifen dasselbe Vorzeichen tragen. Aus dem coulombschen Gesetz folgt daher, dass sich die Streifen sich gegenseitig abstoßen.

Elektrisches Pendel

Zielsetzung

Die Schülerinnen und Schüler sollen erkennen, dass sich Körper, die ungleichnamige Ladungen tragen, anziehen.

Dargestellt ist die Wimshurstmaschine mit angeschlossenem elektrischem Pendel

Aufbau

Benötigt werden:

  • Wimshurstmaschine Hersteller: Leybold Didaktik Nr.: 541 652
  • Aus dem Gerätesatz zur Elektrostatik von Leybold Didaktik Nr.: 541 68
    • Stativstab mit Halte- und Verbindungsbuchse
    • Glockenhalter
  • 2 kurze Steckkabel


Aufbau:

Die Elektroden der Wimshurstmaschine werden so weit wie möglich voneinander entfernt, um eine Entladung zu vermeiden. Der Glockenhalter wird auf der Stativstange platziert. An beide Elektroden der Wimshurstmaschine wird je ein Steckkabel angeschlossen und eines davon in die Verbindungsbuchse am Stativstab und das Andere in die Buchse oben am Glockenhalter gesteckt.


Durchführung

Die Kurbel der Wimshurstmaschine wird betätigt, bis die Metallklöppel beginnen hin und her zu schwingen. Dabei kann die Kurbelgeschwindigkeit variiert werden. Nachdem die Klöppel ausgependelt sind, können die Elektroden zusammengeführt werden. Anschließend kann der Glockenhalter umgepolt werden und das Vorgehen wiederholt werden.


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High-Speed-Aufnahme des elektrischen Glockenspiels

Ergebnisse

Nahaufnahme des elektrischen Glockenspiels. Zu erkennen ist außerdem die Isolierung zwischen der inneren Glocke und den Äußeren

Für beide Durchgänge ist das gleiche Resultat beobachtbar. Die Metallklöppel bewegen sich aus der Ruhe heraus langsam auf eine der sie umgebenden Glocken zu bis sie diese berühren. Anschließend pendeln sie mit einer höheren Geschwindigkeit zwischen den zwei Glocken, wobei die Klöppel immer die Glocken berühren bzw. dagegen stoßen. Vor allem in einer Highspeed-Aufnahme ist zu erkennen, dass die Klöppel auf ihrem Weg zwischen den Kugeln beschleunigen. Nach dem Kurbelvorgang verringert sich die Amplitude der Pendelbewegung der Klöppel zunehmend, sodass diese zuerst die Glocken nicht mehr berühren und schließlich zum Stillstand kommen.

Auswertung

Für beide Vorgänge ist die Erklärung gleich. Die mittlere Glocke ist mit der Elektrode verbunden, die ein anderes Vorzeichen trägt als die, die mit den äußeren Glocken verbunden ist. Dadurch treten Influenzerscheinungen zu Tage, die die Ladung in den Metallklöppel trennen. Durch die Ladungstrennung wirkt das äußere elektrische Feld der Glocken auf die Klöppel, weshalb sich diese nun in einem labilen Gleichgewicht befinden. Folglich führen kleine Auslenkungen der Klöppel, zum Beispiel durch Luftstöße, dazu, dass sie sich zu einer der Glocken bewegen. Sobald die Klöppel nun eine geladene Glocke berühren, werden sie ebenfalls geladen. Entsprechend werden sie nun von der eben berührten Glocke abgestoßen und von der anders Geladenen angezogen. Dort angekommen neutralisieren sich die Ladung der Klöppel und der entsprechende Anteil der Ladung der Glocke. Die Klöppel werden nun von der übrigen Ladung der Glocke andersherum geladen und bewegen sich nun durch die Coulomb-Kraft beschleunigt auf die als erstes berührte Glocke zu, wo der Zyklus von vorne beginnt. Da die Klöppel immer Ladung der Glocken neutralisieren, nimmt die Beschleunigung, die sie erfahren, ab und irgendwann kommen sie wieder zum Stillstand. Dies wird durch Kurbeln verhindert, da die Glocken so stetig geladen werden.

Spitzenrad

Zielsetzung

In diesem Experiment soll gezeigt werden, dass die elektrische Ladung von Teilchen getragen wird, die entsprechende Teilcheneigenschaften besitzen.

Aufbau

Es ist das Spitzenrad zu sehen, das an die Wimshurstmaschine angeschlossen ist.
Nahaufnahme des Spitzenrads.

Benötigt werden:

  • Wimshurstmaschine Hersteller: Leybold Didaktik Nr.: 541 652
  • Aus dem Gerätesatz zur Elektrostatik von Leybold Didaktik Nr.: 541 68
    • Stativstab mit Halte- und Verbindungsbuchse
    • Nadellager mit Steckerstift
    • Spitzenrad
  • 1 kurzes Steckkabel


Aufbau:

Die Elektroden der Wimshurstmaschine werden so weit wie möglich voneinander entfernt, um eine Entladung zu vermeiden. Eine der Elektroden wird per Steckkabel mit der Stativstange verbunden (Kabel in die Anschlussbuchse). In der Haltebuchse wird das Nadellager befestigt und anschließend das Spitzenrad auf ebendieses gesteckt.

Durchführung

Die Kurbel der Wimshurstmaschine wird betätigt, bis das Spitzenrad sich zu drehen beginnt. Dabei kann die Kurbelgeschwindigkeit variiert werden. Sobald das Rad stehen bleibt können die Elektroden zusammengeführt werden und das Steckkabel aus der einen Elektrode herausgenommen werden und in die Andere hineingesteckt werden. Daraufhin kann dieselbe Prozedur erneut durchgeführt werden.

Ergebnisse

Egal in welcher Elektrode das Steckkabel steckt, es ist immer eine Rotation des Spitzenrades in dieselbe Richtung (in die den Spitzen entgegengesetzte) zu beobachten. Je schneller gekurbelt wird, desto schneller rotiert das Rad. Werden die Elektroden zusammengeführt, so läuft es langsam aus.

Auswertung

Die Ursache der Rotation des Rades ist, je nachdem an welcher Elektrode es angeschlossen ist, unterschiedlich.

Ist es an einer Elektrode angeschlossen, die negativ geladenen ist, so lädt sich das Rad ebenfalls negativ auf. Durch den Spitzeneffekt werden vor allem an den Spitzen des Rades Elektronen emittiert, die einen Impuls tragen, der von den Spitzen weg gerichtet ist. Nach dem Impulserhaltungssatz trägt das Rad einen entgegengerichteten Impuls und beginnt somit zu rotieren. Je größer die Kurbelgeschwindigkeit, desto stärker lädt sich das Rad auf und desto mehr Elektronen emittiert es, wodurch es einen größeren Gesamtimpuls erhält. Da die Masse des Rades konstant ist, erhöht sich dessen Geschwindigkeit.

Ist das Spitzenrad an einer Elektrode angeschlossen, die positiv geladen ist, wird es positiv geladen. Es erzeugt ein elektrisches Feld, durch welches Gasmoleküle in der Luft, die einen Dipolcharakter besitzen, angezogen werden. Diese stoßen mit dem Spitzenrad und übertragen somit einen Teil ihres Impulses auf das Rad. Der Impuls, den die Moleküle an das Rad übertragen ist aufgrund des besonderen elektrischen Feldes der Spitze nicht zufällig in alle Raumrichtungen verteilt, sondern entgegen der Spitze gerichtet. Je stärker das Rad positiv geladen ist, desto stärker werden die Moleküle in Richtung des Rades beschleunigt und desto mehr Impuls können sie an das Rad übertragen.

Für den Erkenntnisgewinn der Schülerinnen und Schüler ist es bei diesem Versuch nötig, dass der Impulserhaltungssatz behandelt wurde und von allen Schülerinnen und Schülern verinnerlicht wurde.


Diskussion

Die Eignung des Versuchs, wie er hier beschreiben ist, die Teilcheneigenschaft der Ladung nachzuweisen ist fraglich.

Falls das Rad negativ geladen wird, ist für die Schülerinnen und Schüler lediglich zu erkennen, dass das Rad sich zu drehen beginnt. Dass die Ursache emittierte geladene Teilchen sind, kann mit bloßem Auge nicht erkannt werden. Abhilfe könnte hier ein Detektor schaffen, der die emittierten Elektronen nachweist. Allerdings könnte dieser nicht am Rad montiert werden, sodass er alle Elektronen detektieren kann, da sonst durch den Impulsübertrag von Elektronen auf Detektor die Rotation ausbleiben würde. Die Schülerinnen und Schüler könnten auch verwirrt werden, da im anderen Fall nicht positve Ladungsträger emittiert werden, sondern nun negativ geladene bzw. die Minuspole der Moleküle angezogen werden. Darum ist es ratsam hier die Bewegungsmöglichkeit von Elektronen in Metallen anzusprechen.



Sicherheitshinweise

Die Spannungen, die mit der Wimshurstmaschine erzeugt werden, können sehr hoch und somit gefährlich sein. Um Schläge zu vermeiden, empfiehlt es sich, sofern möglich, Hochspannungskabel zu verwenden. Außerdem ist es wichtig, nach der Benutzung stets die Elektroden zusammenzuführen und dadurch die Maschine zu entladen.

Literatur

  1. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin; Berliner Rahmenlehrplan für die Sekundarstufe I-Physik; 2006 S. 15
  2. Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Sport Berlin; Berliner Rahmenlehrplan für die gymnasiale Oberstufe-Physik; 2006 S. 18
  3. https://www.phywe.de/de/influenzmaschine-nach-wimshurst.html; ‎17.4.2016, ‏‎17:40:20 Uhr
  4. http://physics.stackexchange.com/questions/203258/wimshurst-machine-how-does-it-work 21.4.2016 20:12 Uhr
  5. https://www.phywe.de/de/influenzmaschine-nach-wimshurst.html; ‎17.4.2016, ‏‎17:40:20 Uhr S. 2
  6. https://www.phywe.de/de/influenzmaschine-nach-wimshurst.html; ‎17.4.2016, ‏‎17:40:20 Uhr S. 2