Vorüberlegung und Versuchsaufbau
Es gibt kein Messgerät, das man ins Feld hält und das die Feldstärke direkt anzeigt: Messen lassen sich nur die Probeladung \(q\) und die Kraft \(F\), die auf sie wirkt — die Feldstärke berechnet man anschließend mit \(E = \dfrac{F}{q}\). Damit das gelingt, muss die Probeladung vier Bedingungen erfüllen — sonst misst man entweder gar nichts oder etwas anderes als das ursprüngliche Feld.
- Bekannt:\(q\) muss vorher bestimmt sein, sonst lässt sich \(\dfrac{F}{q}\) nicht bilden.
- Klein im Betrag:Je weniger Ladung sie trägt, desto weniger verändert sie das Feld, das sie messen soll.
- Klein in der Ausdehnung:Sie soll das Feld an einem Ort abtasten, nicht über viele Orte mitteln.
- Positiv:Üblich, weil die Richtung von \(E\) über eine positive Probeladung festgelegt ist.
Gemessen wird im Plattenkondensator: Dort ist das Feld homogen, die Kraft also an jedem Ort gleich groß. Die Probe hängt an einem starren Arm, der Kraftsensor zeigt die Kraft auf sie im Millinewton-Bereich an.
Die am Kraftmesser abgelesene Kraft in Newton (N), vor dem Einsetzen aus mN umrechnen.
Die bekannte Probeladung in Coulomb (C), vor dem Einsetzen aus nC oder \(\mu\mathrm C\) umrechnen.
Mehrere Probeladungen ergeben am selben Ort denselben Wert für \(E\).
Die Messung durchführen
Mehrere Messungen der Kraft auf die Probeladung liefern den Quotienten \(\dfrac{F}{q}\) — die gesuchte Feldstärke.
| \(q\) in \(\mathrm{\mu C}\) | \(F\) in \(\mathrm{mN}\) | \(E = \dfrac{F}{q}\) in \(\mathrm{\dfrac{N}{C}}\) |
|---|---|---|
| Noch keine Messung. | ||
Die Ausgleichsgerade ist bewusst durch den Ursprung gelegt: Ohne Ladung wirkt keine Kraft. Ihre Steigung ist die gesuchte Feldstärke.
Aus mehreren Messungen wird ein belastbares Ergebnis — darauf kommt es dabei an:
- \(F\) ist proportional zu \(q\): Der Quotient \(\dfrac{F}{q}\) ergibt jedes Mal denselben Wert — die Feldstärke \(E\).
- Im \(F\)-\(q\)-Diagramm liegen die Messpunkte auf einer Ursprungsgeraden; ihre Steigung ist \(E\).
- Erst umrechnen, dann teilen: \(1\,\mathrm{mN}=0{,}001\,\mathrm{N}\) und \(1\,\mathrm{\mu C}=10^{-6}\,\mathrm{C}\).
- Der Mittelwert mehrerer Messungen ist genauer als eine Einzelmessung; gerundet wird erst zum Schluss.
Allgemeine Hinweise
Erst umrechnen dann teilen
\(1\,\mathrm{mN}=10^{-3}\,\mathrm{N}\), \(1\,\mu\mathrm{C}=10^{-6}\,\mathrm{C}\). Aus 20 mN und 4 µC folgt \(E=5000\,\mathrm{\frac{N}{C}}\) — mit stehen gelassenen Vorsätzen liegst du um \(10^{3}\) daneben.
Zu große Probeladung verbiegt das Feld
Die Probe soll das Feld abtasten, nicht verändern. Ist ihre Ladung zu groß, überlagert ihr eigenes Feld das Messfeld — du misst dann nicht mehr die ursprüngliche Anordnung.
Ursprungsgerade und Mittelwert
Ohne Ladung wirkt keine Kraft, deshalb geht die Ausgleichsgerade im \(F\)-\(q\)-Diagramm durch den Ursprung; ihre Steigung ist \(E\). Mittle mehrere Messungen und runde erst zum Schluss.