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Elektroskop

Zwei Aufgaben zu einem Messgerät, das mehr verschweigt, als man denkt: Es zeigt die Stärke der Ladung, aber nicht ihr Vorzeichen.

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Was der Zeiger verrät

AFB I–II

Ein Elektroskop besteht aus einer Metallplatte, einem leitend damit verbundenen Stab und einem leicht drehbaren Zeiger. Platte, Stab und Zeiger sind gegen das Gehäuse isoliert.

Mit einem geladenen Stab lassen sich drei verschiedene Vorgänge ausführen: Annähern (ohne Berührung), Berühren der Platte und anschließendes Erden der Platte mit dem Finger.

  1. Nennen Sie, welche Aussage über einen geladenen Körper das Elektroskop erlaubt – und welche nicht.
  2. Erstellen Sie eine dreispaltige Übersicht zu den Vorgängen Annähern, Berühren und Erden mit den Spalten „Vorgang“, „Zeigerausschlag“ und „Ladung des Elektroskops danach“.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Es gibt zwei Fragen, die man an einen geladenen Körper stellen kann: Wie stark ist er geladen und welches Vorzeichen hat die Ladung. Nur eine davon beantwortet das Gerät.
Hinweis zu Aufgabe b)
Denken Sie bei „Annähern“ daran, was mit dem Stab passiert, sobald er wieder weggenommen wird. „Erstellen“ verlangt die geforderte Darstellungsform – hier eine vollständig beschriftete Tabelle.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Möglich: Das Elektroskop zeigt an, dass ein Körper geladen ist, und über die Größe des Ausschlags auch, wie stark er geladen ist.

Nicht möglich: Es zeigt das Vorzeichen der Ladung nicht an – positive und negative Ladung erzeugen denselben Ausschlag. Ebenso wenig liefert es einen Messwert in einer Einheit.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Annähern: Zeiger schlägt aus. Danach (Stab entfernt): Ausschlag geht auf null zurück, das Elektroskop bleibt ungeladen. Grund: Influenz, es wird keine Ladung übertragen.

Berühren: Zeiger schlägt aus und bleibt ausgeschlagen. Danach: Das Elektroskop ist geladen, und zwar gleichnamig zum Stab. Grund: Ladung wurde übertragen.

Erden: Zeiger geht sofort auf null. Danach: Das Elektroskop ist ungeladen. Grund: Die Ladung fließt über den Körper in die Erde ab.

In allen Fällen gilt: Der Ausschlag entsteht, weil Zeiger und Stab gleichnamig geladen sind und sich abstoßen.

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Doch noch das Vorzeichen

AFB II–III

Ein Elektroskop wird durch Berühren mit einem Stab aufgeladen, sodass der Zeiger dauerhaft ausschlägt; die Ladung des Elektroskops ist bekannt und negativ. Nun wird ihm ein Körper mit unbekannter Ladung genähert, ohne ihn zu berühren. Beobachtet wird, wie sich der Ausschlag verändert.

Ein Hersteller wirbt für dasselbe Gerät mit dem Satz: „Mit diesem Elektroskop messen Sie die Ladung eines Körpers bequem in Coulomb.“

  1. Leiten Sie ein Verfahren her, mit dem sich mit einem vorgeladenen Elektroskop das Vorzeichen einer unbekannten Ladung bestimmen lässt.
  2. Erklären Sie, warum der Zeiger beim Erden sofort auf null zurückgeht.
  3. Bewerten Sie die Werbeaussage des Herstellers.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Überlegen Sie mit der Influenz, wohin die frei beweglichen Elektronen im Elektroskop wandern, wenn der genäherte Körper negativ bzw. positiv ist – und was das für die Ladung am Zeiger bedeutet.
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Ausschlag entsteht durch Abstoßung gleichnamiger Ladungen. Was passiert mit dieser Ladung, sobald es einen Weg zur Erde gibt?
Hinweis zu Aufgabe c)
Prüfen Sie an klaren Kriterien: Was misst das Gerät tatsächlich, welche Einheit hat der Ausschlag, und wäre die Anzeige bei zwei verschiedenen Geräten vergleichbar?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Ausgangspunkt: Das Elektroskop ist negativ geladen; überschüssige Elektronen sitzen auf Platte, Stab und Zeiger und stoßen einander ab – daher der Ausschlag.

Fall 1 – genäherter Körper negativ: Er stößt die Elektronen von der Platte weg, sie werden zusätzlich in Stab und Zeiger gedrängt. Dort wird die Ladung größer, die Abstoßung nimmt zu, der Ausschlag wächst.

Fall 2 – genäherter Körper positiv: Er zieht die Elektronen zur Platte hin. In Zeiger und Stab bleiben weniger übrig, die Abstoßung nimmt ab, der Ausschlag wird kleiner.

Verfahren: Elektroskop mit bekannter Ladung vorladen, unbekannten Körper langsam nähern und die Änderung des Ausschlags beobachten. Größerer Ausschlag → gleichnamige Ladung; kleinerer Ausschlag → ungleichnamige Ladung. Der Zusatz „vorgeladen“ ist entscheidend: Beim ungeladenen Elektroskop schlägt der Zeiger in beiden Fällen gleich aus.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der Ausschlag beruht darauf, dass Zeiger und Stab gleichnamig geladen sind und sich abstoßen. Beim Berühren mit dem Finger entsteht eine leitende Verbindung zur Erde. Diese ist so groß, dass die überschüssige Ladung praktisch vollständig abfließt (bzw. der Mangel aus der Erde aufgefüllt wird).

Damit tragen Zeiger und Stab keine Ladung mehr, die Abstoßung verschwindet, und der Zeiger fällt allein durch seine Gewichtskraft in die Ruhelage zurück. Weil Metall sehr gut leitet, geschieht das praktisch augenblicklich.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Werbeaussage ist irreführend.

Kriterium „Was wird gemessen?“ Das Gerät zeigt eine Abstoßung an. Der Ausschlag hängt zwar mit der Ladungsmenge zusammen, aber ebenso von der Bauart, der Zeigerreibung und der Luftfeuchtigkeit ab.

Kriterium „Einheit“: Der Zeiger läuft über keine geeichte Skala in Coulomb. Ohne Eichung ist die Angabe eines Zahlenwerts nicht möglich.

Kriterium „Vergleichbarkeit“: Zwei verschieden gebaute Elektroskope zeigen bei derselben Ladung unterschiedliche Ausschläge – Messwerte wären nicht übertragbar.

Urteil: Das Elektroskop ist ein Nachweisgerät, kein Messgerät für Ladung. Zulässig wäre die Aussage: „zeigt zuverlässig an, ob und wie stark ein Körper geladen ist“ – nicht mehr.