Materialien zum Unterricht

Myas Welt der Physik: Haarsträubend! – Mya und das elektrische Feld

Mya hat auf dem Schulflohmarkt einen alten Bandgenerator aus der Physiksammlung ergattert. Seitdem ist bei ihr jeder Samstag Elektro-Samstag. Theo und Paul sind die Laborassistenten, Kater Erwin geht dem Ganzen lieber aus dem Weg und reibt sich im Flur an seinem grauen Abwasserrohr (warum er danach knistert, steht auf der Seite Elektrische Ladung). Neu im Team ist Flocke, ein winziges Styroporkügelchen, das Theo an seinen Wollsocken aufgeladen hat. Flocke ist unsere Probeladung. Und Lumi? Lumi ist ungeladen und findet das ganze Theater herrlich egal.

Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Alle Felder werden aus den Ladungen berechnet (Klasse 10, Einstieg Oberstufe). Mit Profi markierte Teile gehen etwas weiter. Ladungen messen wir in Nanocoulomb: 1 nC = 10−9 C.

Station 1: Das Grießbrei-Labor – Feldlinienbilder

Mya wollte eigentlich Grießbrei kochen. Theo hat den Grieß stattdessen in eine Schale mit Rizinusöl gestreut und zwei Elektroden hineingestellt. Die Grießkörner drehen sich im elektrischen Feld und reihen sich zu Ketten auf: So wird das unsichtbare Feld sichtbar. Die Ketten zeichnen die Feldlinien nach. Setze Ladungen, verschiebe sie und vergleiche die Grießkörner mit den berechneten Feldlinien.

Ladungen–
Gesamtladung–
Feldlinien–
Flocke–
Was macht dein Finger?
1 Einheit
Was soll man sehen?

Myas Rezeptbuch:

Forschungsauftrag: Lege eine Plusladung und eine Minusladung in die Schale. Setze Flocke (positiv) irgendwo hin und lass sie los. Welchen Weg nimmt sie? Und welchen Weg nimmt eine negative Flocke?

Station 2: Der Feldlinien-Detektiv – Eigenschaften von Feldlinien

Theo hat zu Hause Feldlinienbilder gezeichnet. Mya zückt den Rotstift. Aber Mya korrigiert nur, wenn du ihr sagst, was falsch ist. Manche Bilder sind auch richtig. Entscheide bei jedem Hefteintrag, gegen welche Regel Theo verstoßen hat.

Theos Hefteinträge
Myas Urteil

Station 3: Haarsträubend – Mya am Bandgenerator

Jetzt wird's ernst. Mya stellt sich auf eine Styroporplatte, legt die Hand auf die Kugel des Bandgenerators und lässt Theo kurbeln. Myas lange Haare bekommen alle dieselbe Ladung wie Mya und stoßen sich gegenseitig ab. Danach setzt sich Mya mit ihrer Physik-Zeitschrift in einen Metallkäfig (die alte Hundebox), den Theo an den Bandgenerator anschließt. Draußen stehen die Lamettastreifen ab, drinnen bleibt es erstaunlich ruhig.

Ladung Q–
E an der Kugel–
Myas Haare–
E im Käfig–
Versuch
Bandgenerator

Was passiert mit Myas Frisur, wenn du die Styroporplatte wegnimmst? Und warum stehen beim Käfig nur die Lamettastreifen außen ab?

Station 4: Wie stark ist das Feld? – die elektrische Feldstärke

Mya will es genau wissen: „Wie stark ist das Feld hier?“ Theo hält Flocke an einem Kunststoffstab in das Feld, ein empfindlicher Kraftsensor misst die Kraft auf sie. Aber Vorsicht: Die Kraft hängt auch davon ab, wie stark Flocke geladen ist. Damit das Ergebnis nur noch vom Feld abhängt, teilt Lumi die Kraft durch die Ladung: E = F : q. Ziehe Flocke im Feld herum und notiere Messwerte.

Ort–
Ladung q–
Kraft F–
E = F : q–
Richtung F–

Messtabelle

Nr.Feld, OrtqFF : q

Noch keine Messung. Tippe auf „Notieren“.

Welches Feld?
150 nC
Probeladung

Aufträge: ① Miss an derselben Stelle mit allen Flocken. Was fällt dir bei F : q auf? ② Verdopple den Abstand von der Kugel. Wie ändert sich E? ③ Wo ist das Feld im Kondensator am stärksten? ④ Bestimme die Ladung der Rätselkugel.

Station 5: Rechne selbst

N/C

Tipps

  • E = F : q, Einheit N/C. Umgestellt: F = q · E und q = F : E.
  • Vorsilben: 1 µN = 10−6 N, 1 mN = 10−3 N, 1 nC = 10−9 C.
  • Praktisch: q in nC · E in N/C : 1000 = F in µN.
  • Profi Plattenkondensator: E = U : d, 1 V/m = 1 N/C. kV in V und cm in m umrechnen!
  • Profi Schweben: q · E = m · g, Masse in kg (1 g = 0,001 kg).
Merke – das elektrische Feld:
  • Elektrisches Feld: Um jeden elektrisch geladenen Körper herum ist ein elektrisches Feld. Darin wirken auf andere geladene Körper Kräfte. Das Feld ist auch dann da, wenn gerade keine Probeladung drin ist. Ungeladene Körper (wie Lumi) spüren keine Kraft.
  • Darstellung: Man zeichnet Feldlinien. Sie zeigen die Richtung der Kraft auf eine positive Probeladung. Sichtbar machen kann man sie mit Grießkörnern in Öl.
  • Eigenschaften der Feldlinien:
    • Sie beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen (oder kommen aus dem Unendlichen bzw. laufen dorthin). Sie enden nie mitten im Raum.
    • Sie schneiden sich nie, denn an jedem Ort hat die Kraft nur eine Richtung.
    • Wo sie dicht liegen, ist das Feld stark. Die Zahl der Linien ist proportional zur Ladung.
    • Sie stehen senkrecht auf Metalloberflächen. Im Inneren eines Metallkörpers oder Metallkäfigs ist kein Feld (faradayscher Käfig).
  • Kraftrichtung: Auf eine positive Ladung wirkt die Kraft in Feldlinienrichtung, auf eine negative Ladung entgegen der Feldlinienrichtung.
  • Homogenes Feld: Überall gleich stark und gleich gerichtet, Feldlinien parallel und gleich dicht, z. B. im Plattenkondensator. Sonst heißt das Feld inhomogen (z. B. um eine geladene Kugel: radial, nach außen schwächer).
  • Elektrische Feldstärke: E = F : q, Einheit 1 N/C (= 1 V/m). F ist die Kraft auf eine kleine Probeladung q. Verdoppelt man q, verdoppelt sich F, aber E bleibt gleich: Die Feldstärke beschreibt nur das Feld, nicht die Probeladung. E ist eine gerichtete Größe (Vektor) in Richtung der Feldlinien.
  • Profi Plattenkondensator: E = U : d. Geladene Kugel (außerhalb): E = Q : (4π ε0 r²), doppelter Abstand → ein Viertel der Feldstärke.

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