AbituraufgabenInfluenz und Polarisation

Der negativ geladene Stab stößt die frei beweglichen Elektronen des Metalls ab. Sie wandern durch beide Kugeln hindurch bis an das vom Stab am weitesten entfernte Ende, also an die rechte Seite von Kugel B. Dort entsteht ein Elektronenüberschuss (negativ), an der linken Seite von Kugel A bleiben unkompensierte Atomrümpfe zurück (positiv). Es wurde keine Ladung zugeführt: Die Ladung wurde nur getrennt, die Gesamtladung bleibt null.

Beim Trennen wird der Weg für die Elektronen unterbrochen; die verschobene Ladung kann nicht zurückfließen. Kugel A bleibt positiv geladen, Kugel B negativ geladen. (Entfernt man den Stab dagegen vor dem Trennen, sind beide Kugeln wieder ungeladen.)

Vor Versuchsbeginn null; nach dem Trennen ebenfalls null, denn die Beträge der Ladungen von A und B sind gleich groß und ihre Vorzeichen entgegengesetzt.

Kraftstoff und Schlauchwand sind verschiedene Stoffe und berühren sich beim Strömen auf sehr großer Fläche. Beim ständigen Kontakt und Ablösen werden Elektronen vom Material mit der schwächeren Bindung auf das mit der stärkeren übertragen — dasjenige, das in der triboelektrischen Reihe weiter unten steht. Der abfließende Kraftstoff nimmt die eine Ladungssorte mit in den Tank, die andere bleibt an der Schlauchwand zurück; die Ladungen sind damit räumlich getrennt.

Im Metalltank verteilt sich die zugeführte Ladung zwar sofort über die gesamte Oberfläche, sie kann den Tank aber nicht verlassen: Die Gummireifen sind Isolatoren, in ihnen sind keine frei beweglichen Ladungsträger vorhanden. Das gesamte Fahrzeug wirkt daher wie ein isoliert aufgestellter Leiter, dessen Überschussladung mit jeder Minute Pumpbetrieb zunimmt — bis der Ladungsunterschied zur Umgebung so groß ist, dass die Luft an einer engen Stelle leitend wird und ein Funke überspringt.

Das Erdungskabel stellt eine leitende Verbindung zwischen Fahrzeug und Erdboden her. Die zugeführte Überschussladung fließt laufend in die praktisch unbegrenzt aufnahmefähige Erde ab, sodass sich auf dem Fahrzeug gar keine nennenswerte Überschussladung ansammeln und damit auch kein Funke entstehen kann.

Auch in einem Kunststofftank entsteht durch das Strömen dieselbe getrennte Ladung. Da Kunststoff ein Isolator ist, bleibt sie jedoch genau dort sitzen, wo sie entstanden ist, und lässt sich auch durch eine Erdung nicht ableiten. Sie verteilt sich also nicht über die ganze Oberfläche, sondern drängt sich an wenigen Stellen eng zusammen — und genau dort werden Funken besonders wahrscheinlich.

Die negative Ladung der Folie wirkt auf jedes Atom des Glases: Der positive Kern wird zur Folie hin angezogen, die negative Elektronenhülle von ihr weggedrängt. Da Glas ein Isolator ist, können sich die Elektronen nicht vom Atom lösen; jedes Atom wird nur geringfügig verformt, bleibt aber als Ganzes ungeladen — man nennt das Polarisation. In der Summe entsteht dadurch an der der Folie zugewandten Oberfläche ein positiver, an der abgewandten ein negativer Ladungsbelag. Die positive Oberflächenladung liegt näher an der Folie als die negative; die Anziehung überwiegt daher die Abstoßung, und es bleibt eine resultierende anziehende Kraft übrig, die die Folie hält.

Gemeinsam ist beiden Vorgängen, dass sich Ladung verschiebt, ohne dass Ladung zugeführt wird; die Gesamtladung bleibt in beiden Fällen null. Im Metall sind die Leitungselektronen frei beweglich und wandern durch den gesamten Körper bis an dessen Ende (Influenz). Im Glas bleiben die Elektronen dagegen an ihre Atome gebunden und verschieben sich nur um einen Bruchteil eines Atomdurchmessers (Polarisation); der Effekt ist deshalb deutlich schwächer.

Bei hoher Luftfeuchtigkeit bildet sich auf Folie und Scheibe ein dünner, leitfähiger Wasserfilm. Über ihn fließt die Überschussladung der Folie allmählich ab; ohne Ladung auf der Folie gibt es keine Polarisation im Glas mehr und damit keine anziehende Kraft — die Folie fällt ab.

Ordnung vom stärksten Elektronenabgeber zum stärksten Elektronenaufnehmer: Glas (+4,2 nC), Nylon (+2,6 nC), Papier (+0,8 nC), Wolle (0 nC, Bezugsmaterial), Hartgummi (−3,1 nC), PVC (−5,4 nC), PTFE (−6,8 nC). Die Wolle muss dabei an der Stelle 0 in die Reihe eingefügt werden, weil sie in jeder Messung der Bezugspartner war.

Ein positiver Messwert bedeutet Elektronenmangel auf dem Stab: Der Stab hat beim Reiben Elektronen an die Wolle abgegeben. Ein negativer Messwert bedeutet umgekehrt Elektronenüberschuss: Der Stab hat der Wolle Elektronen entzogen. In beiden Fällen entsteht keine Ladung neu, sie wird nur zwischen den beiden Körpern verschoben.

Glas steht in der Reihe oberhalb der Wolle, PTFE unterhalb. Beim Reiben von PTFE an Glas gibt daher das Glas Elektronen ab und PTFE nimmt sie auf: Der PTFE-Stab wird negativ geladen. Der Abstand der beiden Materialien auf der Skala beträgt 4,2 nC − (−6,8 nC) = 11,0 nC. Da die übertragene Ladung mit dem Abstand in der Reihe wächst, ist ein Betrag in der Größenordnung von etwa 11 nC zu erwarten — jedenfalls deutlich mehr als die 6,8 nC beim Reiben an Wolle. (Ein Näherungswert zwischen 9 nC und 12 nC ist mit passender Begründung zu akzeptieren.)

Stünden die Proben leitend verbunden mit ihrer Umgebung, so flösse die getrennte Ladung sofort ab und der Messwert wäre viel zu klein oder null. Feuchte Luft bildet auf den Oberflächen einen leitfähigen Wasserfilm und hätte dieselbe Wirkung; die Messwerte wären dann nicht mehr vergleichbar.

Der negativ geladene Ballon stößt die frei beweglichen Elektronen im Aluminium ab; sie wandern an die vom Ballon abgewandte Seite der Dose (Influenz). Die dem Ballon zugewandte Seite bleibt dadurch positiv geladen, die abgewandte negativ. Die anziehende positive Ladung ist näher am Ballon als die abstoßende negative; die Anziehung überwiegt, und die resultierende Kraft reicht aus, um die leichte Dose in Rollbewegung zu versetzen.

Lena: Richtig ist, dass Ladungen die Ursache der Bewegung sind. Falsch ist die Behauptung einer Aufladung: Ohne Berührung wird keine Ladung übertragen. Die Dose ist während des Versuchs insgesamt ungeladen — nur die Verteilung ändert sich —, und nach Entfernen des Ballons verteilen sich die Elektronen wieder gleichmäßig.

Jonas: Richtig ist sein Grundgedanke, dass Ladung nur verschoben und nicht zugeführt wird. Falsch ist der Begriff: In einem Leiter wie Aluminium wandern die Elektronen frei durch den gesamten Körper — das ist Influenz. Polarisation tritt nur in Isolatoren wie dem Papierschnipsel auf, wo die Elektronen an ihre Atome gebunden bleiben und sich nur minimal verschieben; der Effekt ist dort deutlich schwächer.

Man entfernt den Ballon weit von der Anordnung und stellt die Dose, ohne sie berührt zu haben, isoliert auf die Platte eines zuvor ungeladenen Elektroskops. Anschließend liest man den Zeigerausschlag ab. Bleibt der Zeiger dauerhaft bei null, trägt die Dose keine Überschussladung und Lenas Behauptung ist widerlegt; nur ein bleibender Ausschlag würde sie stützen.