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Influenz

Zwei Aufgaben dazu, wie man einen Körper auflädt, ohne ihn zu berühren, und warum dabei kurz geerdet werden muss.

1

Der Stab kommt näher

AFB I–II

Eine längliche Metallkugel steht auf einem Isolierfuß und ist ungeladen. Von links wird ihr ein negativ geladener Kunststoffstab genähert, ohne sie zu berühren. In der Kugel sind – wie in jedem Metall – Elektronen frei beweglich.

  1. Geben Sie an, welche Ladung auf der dem Stab zugewandten und welche auf der abgewandten Seite der Kugel entsteht.
  2. Beschreiben Sie, was sich in der Kugel beim Annähern des Stabes bewegt und was unverändert bleibt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Denken Sie an die Ladungsregel: Wovon werden die frei beweglichen Elektronen des Metalls abgestoßen?
Hinweis zu Aufgabe b)
Unterscheiden Sie sauber zwischen den frei beweglichen Elektronen und den fest sitzenden Atomrümpfen mit ihren Protonen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die dem Stab zugewandte Seite wird positiv, die abgewandte Seite wird negativ geladen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der negativ geladene Stab stößt die frei beweglichen Elektronen der Kugel ab. Sie wandern deshalb auf die vom Stab abgewandte Seite und sammeln sich dort an – die Seite wird negativ.

Auf der zugewandten Seite fehlen nun Elektronen. Die Protonen der Atomrümpfe bleiben dagegen unverändert an ihrem Platz; wegen des Elektronenmangels überwiegen sie dort und die Seite wird positiv.

Es wird also keine Ladung übertragen, sondern innerhalb der Kugel nur verschoben.

2

Aufladen ohne Berühren

AFB II–III

Der negativ geladene Stab bleibt in der Nähe der Kugel stehen. Nun wird die Kugel für einen Augenblick mit dem Finger berührt („geerdet“), der Finger wieder weggenommen und erst danach der Stab entfernt. Die Kugel ist anschließend dauerhaft positiv geladen.

Kai meint: „Das ist doch dasselbe wie beim Reiben – am Ende ist der Körper geladen.“

  1. Erläutern Sie, warum die Kugel bei diesem Vorgehen am Ende dauerhaft positiv geladen zurückbleibt.
  2. Vergleichen Sie Influenz und Reibungselektrizität hinsichtlich der Kriterien Berührung, Ladungsübertragung und Dauerhaftigkeit.
  3. Entscheiden Sie begründet, in welcher Reihenfolge Finger und Stab entfernt werden müssen, und geben Sie an, was bei der umgekehrten Reihenfolge geschieht.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Verfolgen Sie die Elektronen Schritt für Schritt: Wohin gehen sie beim Erden – und was hält sie vorher an ihrem Platz?
Hinweis zu Aufgabe b)
Arbeiten Sie die drei Kriterien nacheinander ab und sagen Sie zu jedem, wie sich die beiden Vorgänge unterscheiden.
Hinweis zu Aufgabe c)
Überlegen Sie für beide Reihenfolgen getrennt, was die Elektronen tun, sobald die jeweilige Verbindung besteht bzw. der Stab wegfällt. Nennen Sie am Ende eindeutig die richtige Reihenfolge.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Solange der negative Stab in der Nähe ist, sind die frei beweglichen Elektronen auf die abgewandte Seite gedrängt. Beim Berühren mit dem Finger entsteht eine leitende Verbindung zur Erde: Die abgestoßenen Elektronen können jetzt ausweichen und fließen von der Kugel über den Körper in die Erde ab.

Nimmt man den Finger weg, während der Stab noch dort ist, so fehlen der Kugel diese Elektronen dauerhaft. Erst danach wird der Stab entfernt; die verbliebenen Elektronen verteilen sich gleichmäßig, doch der Mangel bleibt. Die Kugel ist deshalb insgesamt positiv geladen – und zwar entgegengesetzt zum Stab.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Berührung: Bei der Reibungselektrizität müssen sich die beiden Körper eng berühren; bei der Influenz genügt die Nähe des geladenen Körpers.

Ladungsübertragung: Beim Reiben gehen Elektronen von einem Körper auf den anderen über. Bei der reinen Influenz werden Elektronen nur innerhalb des Leiters verschoben; erst das Erden führt zu einer echten Übertragung.

Dauerhaftigkeit: Die Ladungstrennung beim Reiben bleibt bestehen. Die reine Influenz verschwindet dagegen, sobald der Stab entfernt wird – dauerhaft wird sie nur durch das zwischenzeitliche Erden.

Kais Satz greift also zu kurz: Das Ergebnis kann ähnlich aussehen, der Weg dorthin ist ein anderer.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Richtige Reihenfolge: zuerst den Finger wegnehmen, danach den Stab.

Begründung: Nur solange der Stab die Elektronen noch abstößt, bleibt die Verbindung zur Erde eine „Einbahnstraße“ nach außen. Wird die Erdung in diesem Moment aufgehoben, ist der Elektronenmangel eingeschlossen und bleibt erhalten.

Umgekehrte Reihenfolge: Entfernt man erst den Stab und dann den Finger, so entfällt die abstoßende Wirkung, während die Verbindung zur Erde noch besteht. Die fehlenden Elektronen strömen sofort aus der Erde zurück, bis die Kugel wieder ungeladen ist – der Versuch hätte kein Ergebnis.