Ladung und Influenz

Charge and Influence

Physik Klasse 12 16 Aufgaben

Elektrische LadungElektrisches FeldKerncurriculum

Es gibt zwei Ladungsarten; gleichnamige stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. „Geladen" heißt Überschuss einer Ladungsart — Elektronenmangel oder -überschuss —, und jede Ladung ist ein Vielfaches der Elementarladung e als kleinster Portion. Ladung wird dynamisch über Q = I·Δt gemessen, denn Strom ist bewegte Ladung. Influenz (Ladungstrennung im Leiter) ist von Polarisation (Ausrichten von Dipolen im Isolator) zu unterscheiden — sichtbar am Elektroskop und am abgelenkten Wasserstrahl. Trägt Feldbegriff, Feldstärkemessung und den Cavendish-Influenzversuch.

Können & Üben

Elektrostatik-Werkstatt — Ladung sichtbar machen

workshop

90 min · once

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Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären; die Lernenden arbeiten in Kleingruppen und rotieren nach etwa 20 Minuten. An jeder Station wird die Vermutung vor dem Ausprobieren notiert. Station 1 — Reibungselektrizität und Influenz (Elektroskop). Vermuten: Was zeigt das Elektroskop, wenn der geriebene PVC-Stab den Teller nur ohne Berührung erreicht — und was, wenn er ihn berührt? Beobachten: Schon in Tellernähe schlägt der Zeiger aus und geht beim Entfernen zurück; nach Berührung bleibt der Ausschlag. Mit Glas- und PVC-Stab zeigen sich zwei Ladungsarten (Abstoßung/Anziehung drehbar gelagerter Stäbe). Erklären: Ohne Berührung verschiebt der Stab nur Ladungen im Leiter — Influenz; mit Berührung wird Ladung übertragen. Modellgrenze: Der Zeiger zeigt Ladungstrennung an, nicht das Vorzeichen der Ladung. Station 2 — Wasserstrahl und Konfetti (Polarisation). Vermuten: Lenkt der geriebene Stab einen dünnen Wasserstrahl ab, obwohl Wasser neutral ist? Beobachten: Der Strahl biegt sich deutlich zum Stab hin; trockene Papierschnipsel springen an den Stab und teils wieder ab. Erklären: Wassermoleküle sind Dipole und richten sich im Feld aus — Polarisation; die Anziehung wirkt auf den näheren, ungleichnamigen Pol stärker. Modellgrenze: Die Ablenkung beweist Dipole, misst aber keine Feldstärke. Station 3 — Feldlinienbilder (Grießkörner am Projektor). Vermuten: Wie ordnen sich Grießkörner in Rizinusöl zwischen Spitze und Platte, zwischen zwei Punktladungen, zwischen zwei Platten? Skizze vorab! Beobachten: Die Körnchen richten sich zu Ketten aus — radial um die Spitze, gebogen zwischen ungleichnamigen Elektroden, parallel zwischen den Platten. Erklären: Die Ketten folgen der Kraftrichtung auf Probeladungen; dichte Linien bedeuten starkes Feld, Feldlinien starten und enden senkrecht auf den Leiteroberflächen und schneiden sich nie. Modellgrenze: Feldlinien sind ein Zeichenmodell — das Feld existiert auch zwischen den Linien. Sicherheitshinweis: Bandgenerator vor dem Umbauen mit dem Entladestab erden; Funken sind harmlos, aber schreckhaft. Vorbereitung oder Nachbereitung: der Gewitter-Artikel in der App — dort werden dieselbe Ladungstrennung und derselbe Funke zum Blitz hochskaliert. Station 4 — Löffel-Versuch (Kraft pro Ladung). Vermuten: Halbiert sich die Kraft auf den Ladungslöffel im Plattenfeld, wenn man seine Ladung durch Berühren mit dem identischen zweiten Löffel halbiert? Beobachten: Der Lichtzeiger-Ausschlag des Messverstärkers geht bei q, q/2, q/4 jeweils auf die Hälfte zurück. Erklären: F/q ist an einem Feldpunkt konstant — genau diese Größe definiert die elektrische Feldstärke E. Sicherheitshinweis: Hochspannung! Nur die strombegrenzte Quelle verwenden, Umbauten nur spannungsfrei, Platten nach dem Versuch entladen. Abschluss in der Runde: Welche Station zeigt Ladungstrennung, welche Ausrichtung, welche misst das Feld? Der Bogen von "es knistert" zur messbaren Größe E = F/q wird gemeinsam formuliert.

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4–16

Alles beginnt mit einem Versuch, den du in einer Minute selbst machen kannst: Reibe einen Kunststoffstab an Wolle und halte ihn über Papierschnipsel. Sie springen hoch. Glas- und Kunststoffstäbe, drehbar gelagert, verraten mehr: Zwei geriebene Glasstäbe stoßen einander ab, Glas- und Kunststoffstab ziehen sich an. Es gibt also zwei Arten von Ladung — positiv und negativ. Gleichnamige stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

„Geladen" heißt dabei nie, dass Ladung aus dem Nichts entsteht: Ein Körper hat zu viele Elektronen (negativ) oder zu wenige (positiv). Die kleinste frei vorkommende Portion ist die Elementarladung $e = 1, 602 \cdot 1 0^{- 19} C$ — erst $6, 25 \cdot 1 0^{18}$ davon ergeben ein ganzes Coulomb.

Zum Nachweis dient das Elektroskop: ein Metallkopf auf einem Stab, an dem ein drehbarer Zeiger hängt. Berührst du den Kopf mit einem geladenen Stab, verteilt sich die Ladung über Stab und Zeiger — gleichnamig geladen stoßen sie sich ab, der Zeiger schlägt aus.

Jetzt die entscheidende Frage. Sage voraus: Was zeigt das Elektroskop, wenn der geladene Stab dem Kopf nur nahekommt — ohne jede Berührung?

Schiebe den negativ geriebenen Stab mit dem Regler d an den Kopf des Elektroskops heran. Beobachte den Zeigerausschlag α — und die Ladungen, die sich ab d < 4 zeigen: + am Kopf (dem Stab zugewandt), − auf Stab und Zeiger.

Der Zeiger schlägt aus, obwohl keine Ladung übertragen wurde. Der negative Stab drückt die frei beweglichen Elektronen im Metall von sich weg: Am Kopf sammelt sich die entgegengesetzte (positive) Ladung, unten an Stab und Zeiger die gleichnamige (negative) — und die stößt sich ab wie zuvor. Diese räumliche Ladungstrennung in einem Leiter unter dem Einfluss eines geladenen Körpers heißt Influenz. Ziehst du den Stab zurück, verteilen sich die Elektronen wieder, der Ausschlag verschwindet: Es wurde nur verschoben, nicht aufgeladen.

Und in einem Nichtleiter, in dem keine Elektronen frei wandern können — passiert da nichts? Halte den geriebenen Stab an einen dünnen Wasserstrahl:

Der Strahl knickt zum Stab hin. Links vergrößert: Im Wassermolekül sitzt die Ladung unsymmetrisch — es ist ein Dipol.

Der Strahl knickt zum Stab hin. Im Wassermolekül ist die Ladung von Natur aus ungleich verteilt — die Sauerstoffseite leicht negativ, die Wasserstoffseite leicht positiv. Solche Dipole kann das Feld des Stabes nicht verschieben, aber ausrichten: Die positiven Seiten drehen sich zum negativen Stab, und netto wird der Strahl angezogen. Dieses Ausrichten von Dipolen im Isolator heißt Polarisation — der Grund, warum der geriebene Stab auch neutrale Papierschnipsel hebt.

Merke die Unterscheidung, sie trägt das ganze Kapitel: Influenz = Ladungstrennung frei beweglicher Ladungen im Leiter; Polarisation = Ausrichten gebundener Dipole im Isolator. Beim Gewitter wirst du die Influenz im Kilometermaßstab wiedersehen — und beim Cavendish-Versuch wird sie zum Messinstrument.

Materialien (1)

Physische Manipulativa, die dieses Konzept konkret verankern — optional, gebrückt zum Symbol.

Elektroskop prop

Voraussetzungen (1)

Elektrischer Stromkreis – Stromstärke, Spannung, Widerstand

Klasse 8

›

Ermöglicht (1)

Das Feldkonzept verstehen

Klasse 12

›

Leicht

Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Ein geriebener Glasstab und ein geriebener Kunststoffstab ziehen sich gegenseitig an. Zwei geriebene Kunststoffstäbe stoßen sich ab. Was folgt daraus?

● Es gibt zwei Arten von Ladung; ungleichnamige ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab
○ Es gibt nur eine Art von Ladung in verschiedenen Mengen
○ Glas ist immer negativ, Kunststoff immer positiv geladen
○ Die Stäbe sind magnetisch geworden

Abstoßung gleichartig geriebener und Anziehung verschieden geriebener Stäbe erzwingt genau zwei Ladungsarten mit den bekannten Kraftregeln. Eine einzige Ladungsart könnte keine Abstoßung und Anziehung zugleich erklären; Magnetismus spielt hier keine Rolle.

Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Was bedeutet es, dass ein Körper elektrisch neutral ist?

● Er enthält gleich viele positive wie negative Ladungen
○ Er enthält überhaupt keine Ladungen
○ Er enthält nur neutrale Teilchen wie Neutronen
○ Seine Ladungen sind alle im Kern gebunden

Neutral heißt nicht ladungsfrei, sondern ausgeglichen — Protonen und Elektronen sind in gleicher Anzahl vorhanden. Deshalb kann ein neutraler Körper durch Reiben geladen werden, indem Elektronen übertragen werden.

Wahr / Falsch #3 20s ▶ Testen

Am Ausschlag eines Elektroskops kann man ablesen, ob der untersuchte Körper positiv oder negativ geladen ist.

✓ Falsch

Das Elektroskop zeigt nur, dass und wie stark ein Körper geladen ist — der Zeiger schlägt bei beiden Ladungsarten gleich aus. Das Vorzeichen lässt sich nur durch Vergleich mit einer bekannten Ladung ermitteln.

Wahr / Falsch #4 25s ▶ Testen

Der Wasserstrahl wird nur von einem negativ geladenen Stab abgelenkt — ein positiv geladener Stab stößt ihn ab.

✓ Falsch

Beide Ladungsarten lenken den Strahl zum Stab hin ab, denn die Dipole drehen jeweils ihre ungleichnamige Seite zum Stab. Genauso zieht ein geladener Stab neutrales Konfetti unabhängig vom Vorzeichen an.

Multiple Choice #5 30s ▶ Testen

Worin unterscheiden sich Influenz und Polarisation?

● Influenz trennt freie Ladungen im Leiter, Polarisation richtet Dipole im Isolator aus
○ Influenz tritt nur bei negativen, Polarisation nur bei positiven Ladungen auf
○ Polarisation überträgt Ladung, Influenz nicht
○ Es sind zwei Namen für denselben Vorgang

Entscheidend ist die Beweglichkeit der Ladungen. Im Leiter wandern freie Elektronen über den ganzen Körper (Influenz); im Isolator verschieben sich nur die Ladungsschwerpunkte innerhalb der Moleküle (Polarisation). Ladung wird bei beiden Vorgängen nicht übertragen.

Wahr / Falsch #6 20s ▶ Testen

Rund 6,25·10¹⁸ Elementarladungen ergeben zusammen die Ladung 1 C.

✓ Wahr

Aus e = 1,6·10⁻¹⁹ C folgt 1 C / 1,6·10⁻¹⁹ C = 6,25·10¹⁸. Die Einheit Coulomb ist über die Stromstärke definiert: 1 C = 1 As.

Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt.

✓ Wahr

I = Q/t — ein Ampere ist ein Coulomb pro Sekunde. Deshalb ergibt Stromstärke mal Zeit die transportierte Ladung.

Mittel

Lückentext #1 15s ▶ Testen

Ein positiv geladener Körper hat einen Überschuss an positiver Ladung, weil ihm Teilchen fehlen. Diese Teilchen heißen ___.

✓ Antwort: Elektronen

Beim Laden werden nur die beweglichen Elektronen übertragen; die Protonen bleiben im Kern gebunden. Positiv geladen bedeutet daher Elektronenmangel, negativ geladen Elektronenüberschuss.

Zahleneingabe #2 25s ▶ Testen

Ein Körper trägt die Ladung Q = 4,8·10⁻¹⁹ C. Aus wie vielen Elementarladungen besteht diese Ladung? (e = 1,6·10⁻¹⁹ C)

✓ Antwort: 3

Ladung tritt nur in Vielfachen der Elementarladung auf: N = Q/e = 4,8·10⁻¹⁹/1,6·10⁻¹⁹ = 3. Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladungsportion.

Zahleneingabe #3 25s ▶ Testen

Durch einen Leiter fließt 40 s lang der Strom I = 0,5 A. Berechne die transportierte Ladung. (Antwort in C)

✓ Antwort: 20

Dynamische Ladungsmessung über Q = I·Δt = 0,5 A · 40 s = 20 C. Die Stromstärke gibt an, welche Ladungsmenge pro Zeit den Leiterquerschnitt passiert.

Zahleneingabe #4 30s ▶ Testen

Beim Entladen eines Körpers fließt in 60 s die Ladung Q = 12 C gleichmäßig ab. Berechne die Stromstärke. (Antwort in A)

✓ Antwort: 0.2

Aus Q = I·Δt folgt I = Q/Δt = 12 C / 60 s = 0,2 A. Strom und Ladung hängen über die Zeit zusammen — wer Q kennt, kann I berechnen und umgekehrt.

Lückentext #5 15s ▶ Testen

Die räumliche Ladungstrennung in einem leitenden Körper durch einen genäherten geladenen Körper bezeichnet man als elektrische ___.

✓ Antwort: Influenz

Influenz setzt frei bewegliche Ladungen voraus und tritt deshalb nur in Leitern auf. Im Isolator gibt es stattdessen Polarisation, das Ausrichten von Dipolen.

Schwer

Zahleneingabe #1 35s ▶ Testen

Eine Glimmlampenschaltung registriert 2 Minuten lang einen mittleren Strom von 50 mA. Berechne die geflossene Ladung. (Antwort in C)

✓ Antwort: 6

Erst Einheiten umrechnen (50 mA = 0,05 A; 2 min = 120 s), dann Q = I·Δt = 0,05 · 120 = 6 C. Wer die Minuten nicht in Sekunden umrechnet, erhält den falschen Wert 0,1 C.

Multiple Choice #2 30s ▶ Testen

Ein geladener Kunststoffstab wird einem Elektroskop genähert, ohne es zu berühren. Der Zeiger schlägt aus. Erkläre die Beobachtung.

● Der Stab verschiebt durch Influenz die beweglichen Ladungen auf dem Elektroskop
○ Ladung springt durch die Luft vom Stab auf das Elektroskop über
○ Der Stab magnetisiert den Zeiger des Elektroskops
○ Das Elektroskop erzeugt selbst neue Ladungen

Ohne Berührung wird keine Ladung übertragen — der geladene Stab trennt lediglich die Ladungen im Leiter räumlich (elektrische Influenz), sodass Zeiger und Gehäuse gleichnamig geladen sind und sich abstoßen. Ein Ladungsübersprung würde einen Funken erfordern.

Multiple Choice #3 30s ▶ Testen

Ein geladener Kunststoffstab lenkt einen dünnen Wasserstrahl ab. Warum wirkt eine Kraft auf das ungeladene Wasser?

● Die Wassermoleküle sind Dipole und richten sich im Feld des Stabes aus
○ Das Wasser wird durch den Stab elektrisch aufgeladen
○ Im Wasser fließen freie Elektronen wie in einem Metall zum Stab
○ Der Stab zieht nur die positiven Ionen des Wassers an

In Wassermolekülen ist die Ladung unsymmetrisch verteilt (Dipole); der Stab richtet sie aus, sodass die näher liegende, ungleichnamige Seite stärker angezogen wird — elektrische Polarisation. Der Strahl bleibt dabei insgesamt neutral, es wird keine Ladung übertragen.

Zahleneingabe #4 40s ▶ Testen

Ein Kunststoffstab trägt nach dem Reiben die Ladung Q = −8·10⁻⁹ C. Wie viele Elektronen hat er beim Reiben aufgenommen? (e = 1,6·10⁻¹⁹ C; Antwort in Milliarden)

✓ Antwort: 50

N = |Q|/e = 8·10⁻⁹ C / 1,6·10⁻¹⁹ C = 5·10¹⁰ = 50 Milliarden Elektronen. Das negative Vorzeichen heißt Elektronenüberschuss — der Stab hat Elektronen aufgenommen, keine positiven Ladungen verloren.

Können & Üben

Elektrostatik-Werkstatt — Ladung sichtbar machen

🧮 Materialien (1)

Voraussetzungen (1)

Ermöglicht (1)

Materialien (1)