Elektroskop
Mit einem Elektroskop kannst du eine elektrische Ladung nachweisen. In diesem Beitrag und im Video erfährst du, wie ein Elektroskop aufgebaut ist und wie es funktioniert.
Inhaltsübersicht
Elektroskop einfach erklärt
Ein Elektroskop, auch Elektrometer genannt, ist ein Gerät, mit dem elektrische Ladungen nachgewiesen werden können. Seine Funktionsweise beruht darauf, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und ungleiche Ladungen anziehen. Bei gleichen Ladungen schlägt das Elektroskop mit seinem Zeiger aus.
Du kannst dir das einfach gesagt so vorstellen: Wenn du dich mit einem negativ geladenen Körper an den Metallteller des neutral geladenen Elektroskops annäherst, bewegen sich die Ladungen innerhalb des Metallstabs (Träger). Die positiv geladenen Teilchen bewegen sich auf den Metallteller, während die negativen Ladungen auf Träger und Zeiger zurückbleiben. Dadurch stößt sich der Zeiger vom Träger ab.
Sobald der Metallzeiger im Elektroskop ausschlägt, kannst du dir also sicher sein, dass der Körper auch wirklich geladen sein muss.
Elektroskop Aufbau
Das Elektroskop besteht aus drei wesentlichen Bauteilen: dem Metallteller, dem Metallstab und dem Metallzeiger. Der drehbar gelagerte Metallzeiger ist mit dem unbeweglichen Metallstab (Träger) in der Mitte des Gehäuses über eine Drehachse verbunden.
Ein Isoliergummi (Isolator) unterhalb der Metallplatte sorgt dafür, dass der Metallstab und der Metallzeiger vom Gehäuse isoliert sind. Ohne Isolator würden elektrische Ladungen über das Gehäuse und somit über den Tisch entladen werden. Letztendlich steht das Elektroskop auf einem Fuß.
Ist ein Elektroskop so aufgebaut, nennst du es auch Zeigerelektroskop. Wenn es zusätzlich noch eine kalibrierte Skala zur Messung der elektrischen Ladung besitzt, sprichst du auch von einem Elektrometer.
Wie funktioniert ein Elektroskop?
Ziel eines Elektroskops ist es, die elektrische Ladung eines Körpers zu bestimmen. Die Funktionsweise beruht darauf, dass sich ungleichnamig geladene Körper anziehen und gleichnamig geladene abstoßen. Wenn Metallstab und Metallzeiger die gleichen Ladungen besitzen, stoßen sie sich ab und der Zeiger schlägt aus. Eine elektrische Ladung konnte nachgewiesen werden.
Im Folgenden soll ein Glasstab auf seine elektrische Ladung untersucht werden. Dafür wurde er zuvor negativ aufgeladen. Er besitzt also überwiegend negativ geladene Teilchen, sogenannte Elektronen.
Wenn du den Glasstab jetzt in die Nähe des Metalltellers des Elektroskops bringst, schlägt der Metallzeiger aus — es zeigt eine elektrische Ladung an. Wäre der Glasstab neutral geladen bzw. nicht aufgeladen, hätte sich der Metallzeiger nicht bewegt.
Das Elektroskop ist zu Beginn immer neutral geladen, wodurch sein Metallzeiger senkrecht nach unten steht. Wenn du dich mit dem negativ geladenen Glasstab an den Metallteller annäherst, verschieben sich die Elektronen, aber auch die positiv geladenen Protonen im Elektroskop.
Die Elektronen im Elektroskop werden von den Elektronen im Glasstab abgestoßen und bewegen sich zu Metallstab und Metallzeiger. Die Protonen hingegen werden von den Elektronen des Glasstabs angezogen und bewegen sich auf den Metallteller. Weil Träger und Zeiger jetzt gleichermaßen negativ geladen sind, stoßen sie sich voneinander ab. Der bewegliche Zeiger schlägt aus.
Beachte aber, dass du somit nur weißt, dass das Objekt elektrisch geladen ist. Du kannst so keine wirkliche Aussage darüber treffen, ob es nun positiv oder negativ geladen ist.
Influenz (Ladungsverschiebung)
Wenn du dich mit einem geladenen Gegenstand an den Metallteller des Elektroskops annäherst, kommt es im Zuge des Zeigerausschlags zur sogenannten Influenz.
Die Influenz bezeichnet die Umverteilung von Ladungsträgern in einem Objekt, weil sich in der Nähe elektrische Ladungen befinden. Das heißt, legst du einen geladenen Metallstab in die Nähe eines neutralen Metallstabs, bildet sich am Ende des neutralen Stabs eine positive und am anderen Ende eine negative Ladung aus.
Die positiven Ladungsträger im geladenen Stab ziehen also die negativen Ladungsträger an und stoßen die positiven Ladungsträger im ungeladenen Stab ab. Da sich die beiden Metallstäbe nicht berühren, können keine negativen Ladungsträger vom ungeladenen zum geladenen Stab „hinüberspringen“.
Das bedeutet, dass zwar das rechte Ende vom ungeladenen Stab positiv und das linke Ende negativ geladen ist, aber insgesamt bleibt der Metallstab ungeladen. Diese Art der Ladungsverschiebung heißt Influenz.
Coulombsches Gesetz
Der Zeigerausschlag kommt durch die Abstoßung gleichnamiger Ladungen zustande. Dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, war eine experimentelle Beobachtung.
Charles Augustin de Coulomb hat durch Experimente an einer Drehwaage eine mathematische Beziehung für die Kraft zwischen zwei Ladungen in einem bestimmten Abstand ableiten können. Die mathematische Beziehung heißt Coulombsches Gesetz (die Kraft heißt Coulombsche Kraft).
Bestimmung des Vorzeichens
Mit dem Elektroskop kannst du also herausfinden, ob ein Objekt generell elektrisch geladen ist. Dabei gibt es noch einen Trick, wie du zusätzlich bestimmen kannst, inwiefern ein Objekt positiv oder negativ geladen ist. Dazu vergleichst du die Zeigerausschläge der beiden unterschiedlich geladenen Objekte.
Du gehst so vor:
- Zunächst lädst du ein Objekt negativ auf und hältst es an das Elektroskop. Dadurch wird das Elektroskop negativ aufgeladen.
- Anschließend nimmst du das geladene Objekt, bei dem du feststellen möchtest, ob es positiv oder negativ geladen ist und bringst es in die Nähe des Elektroskops. Durch die negative Ladung des Elektroskops schlägt der Zeiger bei einem negativ geladenen Objekt ziemlich stark aus.
- Ist das Objekt positiv geladen, ist nur ein geringer Zeigerausschlag zu beobachten.
Wenn der Körper also negativ geladen ist, wird sich der Zeiger mehr abstoßen, als wenn der Körper positiv geladen wäre. So weißt du über die Art der elektrischen Ladung Bescheid.
Elektrische Ladung
Das Elektroskop funktioniert nur durch die unterschiedlichen elektrischen Ladungen. Du kannst zwei Arten unterscheiden: die positive und die negative elektrische Ladung. Was du dir darunter genau vorstellen kannst und wie du sie berechnen kannst, erfährst du in unserem Video dazu. Bis gleich!
