Du kennst vielleicht schon Spannungsmessgeräte, mit denen man die elektrische Spannung messen kann. Allerdings können geringe Ladungen und Spannungen nur schwierig mit diesen Geräten nachgewiesen werden. Das Elektroskop ermöglicht es geringe Ladungen und Spannungen nachzuweisen und zu messen. Mehr über den Aufbau und die zugehörige Beschriftung, die Funktionsweise, die Influenz, und wie Du ein Elektroskop zu Hause selber bauen kannst, findest Du in dieser Erklärung.
Elektroskop Definition
Das Elektroskop ist ein Gerät zum Nachweisen von elektrischer Ladung von Körpern. Durch den elektrostatischen Effekt der Influenz und der Ladungsverteilung und -verschiebung kann die elektrische Ladung nachgewiesen werden.
Du möchtest noch mehr zum Thema Influenz wissen? Dann schau Dir mal die Erklärung zu diesem Thema an.
Doch wie ist ein Elektroskop aufgebaut, und wie genau funktioniert das Elektroskop?
Elektroskop Aufbau und Beschriftung
Die Bestandteile und die zugehörige Beschriftung sind einfach gehalten. Der Aufbau von einem Elektroskop besteht in der Regel immer aus einem isolierten Metallstab, an dem ein Metallzeiger angebracht wird. Dieser wird durch die elektrische Anziehung und Abstoßung bewegt.
Abb. 1 - Aufbau eines Elektroskops
Ein Elektroskop besteht aus nur wenigen Bauteilen. Das Gestell und das Gehäuse schützen das Innenleben des Elektroskops vor äußeren Einflüssen. Am oberen Ende des Elektroskops ist ein Metallteller, in einigen Fällen auch eine Metallkugel, angebracht.
Ein Isolator isoliert den Metallträger des Isolators vom Gehäuse, damit die Ladung nicht geerdet wird. Am Träger ist der Zeiger dann an einer Drehachse angebracht. So kann der Zeiger ausschlagen, wenn eine elektrische Ladung vorhanden ist.
Wie funktioniert nun das Ganze?
Elektroskop Funktionsweise
Die Funktionsweise des Elektroskops basiert auf der Ladungsverschiebung.
Wird ein geladener Körper in die Nähe des Metalltellers gebracht, so verschieben sich die Ladungen im Inneren des Metalltellers und des Metallträgers des Elektroskops. Diese Ladungsverschiebung wird an bis an den Metallzeiger weitergetragen. Zeiger und Träger sind dann gleichnamig geladen und stoßen sich, abhängig von der Stärke der elektrischen Ladung, ab.
Das Gehäuse, das Gestell und der Isolator isolieren den Träger und den Metallzeiger. Das ist notwendig, damit die elektrische Ladung nicht über das Gehäuse auf die Abstellfläche und den Boden geerdet und damit entladen wird. Würde das passieren, so würde keine elektrische Ladung durch den Zeiger angezeigt werden.
Wenn Du mit dem geladenen Körper den Metallteller des Elektroskops berührst, dann findet ein Ladungsaustausch statt. Somit kannst Du auch eine Ladung feststellen, jedoch veränderst Du durch den Ladungsaustausch den Betrag der Ladung des untersuchten Objektes. Das ist in den meisten Fällen unerwünscht.
Aber wieso kommt es zur Ladungsverschiebung, wenn ein geladener Körper nah an das Elektroskop gehalten wird, wenn doch keine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden vorhanden ist?
Elektroskop Influenz
Die Funktionsweise des Elektroskops basiert auf den Prinzipien der Elektrostatik, genauer gesagt auf der Influenz. Die Influenz basiert auf der Kraft zwischen elektrischen Ladungen:
Zwei unterschiedliche (+ und -) elektrische Ladungen ziehen einander an.
Abb. 2 - Anziehung ungleichnamiger Ladungen
Zwei gleichnamige (+ und + oder - und -) elektrische Ladungen stoßen sich jedoch gegenseitig ab.
Abb. 3 - Gleiche Ladungen stoßen einander ab
Das Anziehen und Abstoßen passiert jedoch ohne eine direkte Berührung der Ladungsträger. Das nennst Du Influenz.
Die Ladungsverschiebung durch den Einfluss von elektrischen Feldern ohne elektrischen Kontakt wird Influenz genannt.
Mehr über das Thema Influenz findest Du in der entsprechenden Erklärung.
Genau so funktioniert das, wenn Du einen geladenen Körper an ein Elektroskop hältst und sich diese nicht berühren.
Schauen Dir das ganze nun einmal an einem Beispiel mit einer negativ geladenen Kugel an.
Wenn Du einen negativ geladenen Körper an ein Elektroskop hältst, dann schlägt der Zeiger des Elektroskops aus.
Abb. 4 - Negativ geladene Kugel lässt Elektroskop ausschlagen
Aufgrund von Influenz werden die (negativ geladenen) Elektronen im Elektroskop vom negativ geladenen Körper abgestoßen. Die Elektronen sammeln sich somit im unteren Teil des Elektroskops – genau dort, wo sich der Zeiger befindet.
Dadurch sind Träger und Zeiger in diesem Bereich gleichnamig (negativ) geladen und stoßen sich entsprechend ab. Je größer dabei die Ladung, die gemessen wird, desto stärker werden die Elektronen verschoben und desto weiter schlägt der Zeiger aus.
Schau Dir das ganze auch noch einmal für den Fall an, dass ein positiv geladener Stab das Elektroskop anregt.
Elektroskop positiv geladener Stab
Hältst Du jetzt einen positiv geladenen Stab an das Elektroskop, so schlägt der Zeiger aufgrund von Influenz erneut aus.
Abb. 5 - Positiv geladener Stab an Elektroskop
Die negativen Ladungen des Elektroskops werden in diesem Fall von dem positiv geladenen Stab angezogen und bewegen sich zum oberen Teil des Elektroskops. Dort entsteht ein Elektronenüberschuss, während am unteren Teil des Trägers und am Zeiger ein Elektronenmangel herrscht.
Ein Elektronenmangel bedeutet, dass Träger und Zeiger positiv geladen sind. Wie auch im vorherigen Beispiel stoßen Zeiger und Träger einander ab, weil sie gleichnamig (positiv) geladen sind.
Vergleichst Du beide Fälle – negativ oder positiv geladener Testkörper – kannst Du ein Problem des Elektroskops feststellen: Anhand dessen, wie weit der Zeiger ausschlägt, kannst Du zwar ablesen, ob und wie stark der Testkörper geladen ist, jedoch nicht, ob dieser positiv oder negativ geladen ist.
Mit dem Grundaufbau eines Elektroskops kann dieses Problem auch nicht umgangen werden, wie Du anhand des Versuches, ein Elektroskop selbst nachzubauen, feststellen kannst.
Elektroskop Versuch: Elektroskop selber bauen
Mithilfe des Elektroskops kannst Du verschiedene Versuche durchführen und damit Ladungen und deren Stärke nachweisen. Teste am besten verschiedene Körper mit dem Elektroskop aus und versuche zu überlegen, was da eigentlich genau passiert.
Du möchtest ein Elektroskop selbst bauen? Das kannst Du ganz einfach mit nur wenigen Gegenständen, die Du wahrscheinlich auch zu Hause hast!
Um ein kleines Elektroskop selber bauen zu können, benötigst Du ein Stück Papier oder Pappe, eine Büroklammer, Alufolie, ein Glas, eine Wollsocke und einen Ballon.
Aus dem Papier schneidest Du einen Kreis, der auf das Glas passt, ohne dass dieser ins Glas fällt. In die Mitte des Kreises kommt ein kleines Loch. Anschließend verbiegst Du die Büroklammer so, dass ein kleiner Draht durch das Loch im Papier ins Glas ragt.
Abb. 6 - Elektroskop selber bauen
An diesen Draht befestigst Du dann zwei kleine Streifen Alufolie. Im letzten Schritt reibst Du Deinen Ballon an der Socke, und hältst diesen dann von außen an die Büroklammer über dem Glas. Die beiden Alustreifen im Glas bewegen sich und wirken wie der Zeiger im Elektroskop.
Der Ballon wird durch die Reibung an der Socke elektrisch geladen. Sobald Du die Socke an die Büroklammer hältst, wird durch die Ladungsverschiebung die Ladung der Klammer und der Alustreifen bewegt und sorgt dafür, dass diese ausgelenkt werden.
Elektroskop – Das Wichtigste
- Das Elektroskop ist ein elektrisches Gerät zum Nachweisen elektrischer Ladung von Körpern.
- Elektroskope können die Größe von Ladungen nachweisen, nicht aber sagen, ob diese positiv oder negativ ist.
- Der Aufbau eines Elektroskops besteht aus einem Gehäuse und einem Ständer, an der Oberseite ist eine Metallplatte befestigt, die durch einen Isolator vom Gehäuse isoliert wird. Im Inneren des Elektroskops ist ein Metallzeiger befestigt, dieser zeigt an, ob eine elektrische Ladung vorhanden ist.
- Die Funktionsweise des Elektroskops basiert auf der Anziehung und Abstoßung von elektrischen Ladungen ohne elektrischen Kontakt (Influenz).
- Wird ein geladener Körper in die Nähe des Metalltellers des Elektroskops gehalten, so verschieben sich die Ladungen im Elektroskop.
- Der Zeiger befindet sich am anderen Ende des Trägers, als der Metallteller. Zeiger und Träger werden dadurch gleichnamig geladen und stoßen einander entsprechend ab.
- Ist der geladene Körper ein positiv geladener Stab, werden die Elektronen aus Träger und Zeiger von diesem angezogen. Im unteren Teil des Trägers und im Zeiger entsteht ein Elektronenmangel. Dadurch sind beide positiv geladen und stoßen einander ab.
- Ein Elektroskop kannst Du beim Versuch zu Hause mithilfe weniger Materialien selber bauen. Dafür benötigst Du: ein Stück dickes Papier oder Pappe, eine Büroklammer, Alufolie, ein Glas, Wolle und einen Ballon.
Nachweise
- technikmuseum.berlin: Ein Elektroskop bauen (30.11.2022)
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