Wer gibt ab, wer nimmt auf?
AFB I–IIDie Tabelle zeigt eine Reihe von Stoffen, geordnet nach ihrem Verhalten beim Reiben: Ein Stoff, der weiter oben steht, gibt beim Reiben Elektronen an einen Stoff ab, der weiter unten steht.
Ein Luftballon aus Kunststoff wird an einem Wollpullover gerieben.
| Platz | Stoff |
|---|---|
| 1 | Glas |
| 2 | Wolle |
| 3 | Papier |
| 4 | Holz |
| 5 | Kunststoff |
| 6 | PVC |
- Entnehmen Sie der Reihe, welcher der beiden Körper beim Reiben Elektronen abgibt und welcher sie aufnimmt.
- Stellen Sie den Vorgang beim Reiben in drei Schritten dar: Zustand vorher, Vorgang beim Reiben, Zustand nachher – jeweils mit dem Vorzeichen der Ladung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Wolle steht in der Reihe oberhalb von Kunststoff. Also gibt der Wollpullover Elektronen ab, und der Luftballon nimmt sie auf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
1. Vorher: Ballon und Pullover sind beide ungeladen – in jedem Körper ist die Zahl der Protonen gleich der Zahl der Elektronen.
2. Beim Reiben: Durch die enge Berührung vieler Stellen gehen Elektronen vom Wollpullover auf den Luftballon über. Protonen bleiben, wo sie sind.
3. Nachher: Der Ballon hat einen Elektronenüberschuss und ist negativ geladen; der Pullover hat einen Elektronenmangel und ist positiv geladen. Beide Ladungen sind gleich groß.
Der Schlag an der Türklinke
AFB II–IIIIm Winter bekommt Jana beim Anfassen einer Türklinke häufig einen kleinen elektrischen Schlag, im Sommer dagegen fast nie. Zuvor ist sie jeweils über einen Teppichboden gelaufen. Feuchte Luft leitet elektrische Ladung besser ab als trockene Luft; im Winter ist die Luft in geheizten Räumen sehr trocken.
Ihr Bruder meint dazu: „Beim Laufen über den Teppich erzeugst du eben neue Ladung.“
- Weisen Sie mithilfe der Ladungserhaltung nach, dass beim Reiben insgesamt keine Ladung entsteht.
- Erklären Sie, warum Jana im Winter deutlich häufiger einen Schlag bekommt als im Sommer.
- Entwickeln Sie einen Versuch, mit dem sich prüfen lässt, ob zwei an Wolle geriebene Kunststoffstäbe gleichnamig geladen sind.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beim Reiben wandert eine bestimmte Anzahl \(n\) von Elektronen vom Teppich auf Janas Schuhe und Körper.
Der aufnehmende Körper erhält dadurch die Ladung \(-n\cdot e\), der abgebende Körper die Ladung \(+n\cdot e\). Für beide zusammen gilt:
\(Q_\mathrm{ges} = (-n\cdot e) + (+n\cdot e) = 0\)
Die Gesamtladung ist vor und nach dem Reiben null. Es wird also keine Ladung erzeugt, sondern nur getrennt. Der Bruder hat damit unrecht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Beim Laufen über den Teppich wird Jana in beiden Jahreszeiten aufgeladen – der Vorgang selbst ist derselbe.
Im Sommer ist die Luft feucht. Auf Haut, Kleidung und Teppich bildet sich ein dünner Feuchtigkeitsfilm, der als Leiter wirkt; die getrennten Ladungen fließen deshalb laufend ab, und es sammelt sich nie viel an.
Im Winter ist die Heizungsluft sehr trocken. Dieser Abfluss fehlt, die Ladung sammelt sich an Janas Körper an. Beim Berühren der leitenden Metallklinke fließt sie dann auf einen Schlag ab – das spürt sie als Stromstoß und sieht es manchmal sogar als kleinen Funken.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Aufbau: Ein geriebener Kunststoffstab wird waagerecht in eine Drahtschlaufe oder in eine Fadenschlinge gelegt, sodass er sich frei drehen kann. Der zweite Stab wird ebenso an Wolle gerieben und in der Hand gehalten.
Durchführung: Das geriebene Ende des zweiten Stabes wird langsam dem geriebenen Ende des aufgehängten Stabes genähert, ohne ihn zu berühren.
Auswertung: Dreht sich der aufgehängte Stab weg, so stoßen sich die Stäbe ab – sie sind gleichnamig geladen. Dreht er sich hin, so ziehen sie sich an und wären ungleichnamig geladen.
Kontrolle: Der Versuch wird mit einem ungeriebenen Stab wiederholt. Bleibt der aufgehängte Stab dann in Ruhe, ist sichergestellt, dass die Bewegung nicht durch Luftzug oder die Hand verursacht wurde.