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Polarisation

Zwei Aufgaben dazu, warum sogar ungeladenes Papier angezogen wird und wie sich Ladungen im Isolator verschieben.

1

Drei Beobachtungen, zwei Erklärungen

AFB I–II

Ein an Wolle geriebener Kunststoffstab wird nacheinander drei Gegenständen genähert:

(1) Kleine Papierschnipsel springen an den Stab.
(2) Ein dünner Wasserstrahl aus dem Wasserhahn wird sichtbar abgelenkt.
(3) Eine ungeladene Metallkugel auf einem Isolierfuß wird angezogen.

Zur Erinnerung: In Leitern sind Elektronen frei beweglich, in Isolatoren dagegen nicht – dort lassen sie sich nur ein winziges Stück innerhalb der Atome verschieben.

  1. Stellen Sie dar, was in einem Atom eines Isolators geschieht, wenn ein negativ geladener Stab genähert wird.
  2. Ordnen Sie den drei Beobachtungen jeweils zu, ob Polarisation oder Influenz vorliegt, und nennen Sie das Kriterium Ihrer Zuordnung.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Ein Atom besteht aus dem positiven Kern und der negativen Elektronenhülle. Was von beiden lässt sich leichter ein wenig verschieben?
Hinweis zu Aufgabe b)
Das entscheidende Kriterium ist nicht der Gegenstand selbst, sondern die Frage: Leiter oder Isolator?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der negativ geladene Stab stößt die Elektronenhülle des Atoms ab und zieht den positiven Kern an. Weil die Elektronen den Isolator nicht verlassen können, verschiebt sich die Hülle nur ein winziges Stück gegen den Kern.

Dadurch wird das Atom auf der dem Stab zugewandten Seite schwach positiv und auf der abgewandten Seite schwach negativ – es ist polarisiert. Da alle Atome sich gleich ausrichten, wird die zugewandte Oberfläche des Körpers insgesamt schwach entgegengesetzt geladen und der Körper angezogen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

(1) Papierschnipsel – Polarisation. Papier ist ein Isolator; die Ladungen können sich nur innerhalb der Atome verschieben.

(2) Wasserstrahl – Polarisation. Die Wassermoleküle richten sich im Strahl aus; auch hier wandert keine Ladung frei durch den Körper.

(3) Metallkugel – Influenz. Metall ist ein Leiter; die frei beweglichen Elektronen wandern auf die abgewandte Seite der ganzen Kugel.

Kriterium: Leiter → Influenz (Ladungen wandern durch den Körper); Isolator → Polarisation (Ladungen verschieben sich nur innerhalb der Atome).

2

Staub, der nicht liegen bleibt

AFB II–III

Auf einem Bildschirm sammelt sich auffällig viel Staub. Auch frisch abgerollte Frischhaltefolie legt sich von selbst an die Schüsselkante. Bei den Papierschnipseln aus Aufgabe 1 beobachtet man außerdem: Sie springen an den Stab, bleiben kurz hängen und fallen nach einiger Zeit – manchmal regelrecht abgestoßen – wieder ab.

Ben behauptet: „Polarisation und Influenz sind dasselbe, das eine Wort ist nur das Fremdwort für das andere.“

  1. Untersuchen Sie unter der Frage, warum auch ungeladene Papierschnipsel vom Stab angezogen werden, obwohl in ihnen gleich viele positive wie negative Ladungen stecken.
  2. Deuten Sie die Beobachtung, dass die Schnipsel nach einiger Zeit wieder abfallen.
  3. Diskutieren Sie Bens Behauptung.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Die Kraft zwischen Ladungen hängt vom Abstand ab – und zwar stark. Vergleichen Sie deshalb die Abstände der beiden Schnipselseiten zum Stab.
Hinweis zu Aufgabe b)
Überlegen Sie, was beim direkten Kontakt zwischen Stab und Schnipsel passieren kann, und wenden Sie dann die Ladungsregel an.
Hinweis zu Aufgabe c)
Sammeln Sie zuerst, was für Bens Behauptung spricht, dann die Unterschiede. Kommen Sie am Ende zu einem begründeten Ergebnis, statt nur Argumente aufzuzählen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Im Schnipsel stecken tatsächlich gleich viele positive wie negative Ladungen. Durch die Polarisation liegen sie jedoch nicht mehr an derselben Stelle: Die zum Stab hin verschobenen Ladungen sind ihm näher als die entgegengesetzten auf der Rückseite.

Da die Kraft zwischen Ladungen mit kleinerem Abstand stark zunimmt (bei halbem Abstand das Vierfache), ist die Anziehung der näheren Seite größer als die Abstoßung der ferneren. Beide heben sich deshalb nicht auf, und es bleibt insgesamt eine anziehende Kraft.

Ergebnis: Ein ungeladener Körper kann angezogen, aber niemals abgestoßen werden – das ist ein sicheres Erkennungszeichen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Beim Kontakt mit dem Stab gehen einzelne Elektronen auf den Schnipsel über. Er ist dann nicht mehr ungeladen, sondern trägt – wie der Stab – eine negative Ladung.

Nun greift die Ladungsregel: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Der Schnipsel wird deshalb abgestoßen und fällt ab. Zusätzlich fließt über die feuchte Luft nach und nach Ladung ab, sodass die Anziehung ohnehin nachlässt.

Deutung: Aus der bloßen Polarisation ist eine echte Ladungsübertragung geworden – deshalb kehrt sich die Wirkung um.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für Ben spricht: Beide Vorgänge werden durch einen genäherten geladenen Körper ausgelöst, in beiden Fällen entsteht auf der zugewandten Seite die entgegengesetzte Ladung, und in beiden Fällen wird der Körper angezogen, ohne dass Ladung übertragen wird.

Gegen Ben spricht: (1) Influenz tritt in Leitern auf, Polarisation in Isolatoren. (2) Bei der Influenz wandern Elektronen frei durch den ganzen Körper, bei der Polarisation verschieben sie sich nur innerhalb jedes Atoms um einen winzigen Betrag. (3) Deshalb ist die Wirkung bei der Influenz viel stärker. (4) Nur ein durch Influenz geladener Leiter lässt sich durch Erden dauerhaft aufladen.

Ergebnis: Bens Behauptung ist nicht haltbar. Beide Vorgänge gehören zwar zusammen – sie beruhen auf derselben Ladungsregel –, unterscheiden sich aber im Material, im Mechanismus und in ihrer Stärke. Es handelt sich um zwei Fachbegriffe für zwei verschiedene Vorgänge.