Telekolleg - Physik


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Physik - 16. Folge Elektrische Spannung

In dieser Sendung wird mit der "elektrischen Spannung" einer der schwierigsten Begriffe der Elektrik eingeführt.

Stand: 08.09.2016

Ein Ball mit leitfähigem Überzug pendelt zwischen negativer und positiver Platte | Bild: BR

Die elektrische Spannung ist einer der schwierigsten Begriffe der Elektrik? Das mag Sie verwundern, weil Sie es schon gewöhnt sind, verschiedene Elektrizitätsquellen mit einer "Voltzahl" zu charakterisieren.

Die Folge gliedert sich in folgende Abschnitte:

Elektrische Spannung

  • 1. Elektrische Arbeit
  • 2. Definition der elektrischen Spannung
  • 3. Messung elektrischer Spannung
  • 4. Elektronenkanone
  • 5. Bestimmung der Elementarladung

1. Elektrische Arbeit

Ist das ein Perpetuum mobile?

Zwei große Metallplatten sind an den Plus- und den Minuspol einer Hochspannungsquelle angeschlossen. Dazwischen pendelt ein Tischtennisball mit leitfähigem Überzug hin und her (siehe nebenstehende Abbildung). Ist der Ball negativ geladen, dann wird er von der negativen Platte abgestoßen und von der positiven Platte angezogen. Trifft er dort auf, dann gibt er seine negative Ladung ab, nimmt positive Ladung auf und macht sich dann auf den Rückweg. Ist dies eine Maschine, die ohne Energiezufuhr arbeiten kann - ein Perpetuum mobile? Die elektrische Kraft im homogenen Feld eines Plattenkondensators ist konstant. Deshalb kann in Analogie zur Hubarbeit der Mechanik eine elektrische Arbeit eingeführt werden - siehe folgendes Video.

Der Weg wird entlang einer Feldlinie gemessen, Verschiebungen parallel zu den Platten liefern keine Beiträge zur elektrischen Arbeit. Mit der Arbeit wird auch eine elektrische Energie definiert, beide mit der Einheit Joule. Für das Laden und Entladen eines Plattenkondensators stimmt die Energiebilanz. Deshalb handelt sich bei diesem Experiment um kein Perpetuum mobile.

Formeln zur Energiebilanz

Dies wird auch experimentell gezeigt. Wenn der Plattenkondensator nach dem Aufladen von der Hochspannung getrennt wird, dann entlädt die pendelnde Kugel die Platten sehr schnell und die Bewegung kommt zum Stillstand.

2. Definition der elektrischen Spannung

Versuchsaufbau mit dem Plattenkondensator - bitte klicken Sie auf die Lupe

Der Versuch mit dem Plattenkondensator wird nun so erweitert, dass alle bisher bekannten elektrischen Größen bestimmt werden können: Es wird die Feldstärke gemessen, ferner die Kraft auf eine bekannte Probeladung im Feld und wir haben eine Anzeige für die Spannung an der Elektrizitätsquelle. Die Auswertung ergibt zunächst, dass die gemessene Feldstärke am Rand mit dem Quotienten aus Kraft und Ladung der Probeladung in der Mitte übereinstimmt.

Berechnung der Energiedifferenz E

Als Nächstes wird nun die Energiedifferenz E berechnet. Beachten Sie die doppelte Bedeutung von "E" - leider birgt diese doppelte Benutzung des Formelbuchstaben E für die Feldstärke und die Energie Verwechslungsgefahren! Teilt man also nun die Energiedifferenz durch die Probeladung, dann erhält man den Zahlenwert der Spannung. Das genau ist die Definition der Spannung: Eine Spannung ist eine Energie dividiert durch die Ladung des Probekörpers. Zu Ehren des Erfinders der ersten leistungsfähigen elektrochemischen Elemente wird die Einheit der Spannung nach Alessandro Volta benannt. Als Zusammenhang zwischen der Feldstärke und der Spannung ergibt sich bei einem Plattenkondensator, dass die Teilspannung längs der Strecke d einer Feldlinie gleich dem Produkt aus d und der Feldstärke E ist.

Formel zur Berechnung der Teilspannung - bitte klicken Sie auf die Lupe

Als Zusammenhang zwischen der Feldstärke und der Spannung ergibt sich bei einem Plattenkondensator, dass die Teilspannung längs der Strecke d einer Feldlinie gleich dem Produkt aus d und der Feldstärke E ist. Vergleichen Sie dazu auch das Video ganz oben auf der Seite.

3. Messung elektrischer Spannung

Digitales und analoges Voltmeter

Zur Messung von Spannungen werden je nach Bedarf verschiedene Gerätetypen eingesetzt. Bei modernen digitalen Voltmetern wandelt ein integrierter Baustein eine Spannung direkt in einen Zahlenwert. Bei den früher üblichen, analogen Messgeräten mit einem Zeiger, muss der Wert auf einer Skala abgelesen werden. Sogenannte statische Voltmeter sind Spezialgeräte, die für die Messung von konstanter Hochspannung verwendet werden.

Grundsätzliches zur Spannungsmessung - bitte merken!

Kondensatorplatten mit Flammensonde

Eine Spannung wird immer zwischen zwei Punkten eines Stromkreises oder eines Feldes gemessen. Für einen Messpunkt im Feld zwischen den Kondensatorplatten ist zusätzlich eine Flammensonde erforderlich. Diese sorgt für eine ausgeglichene Anzahl von positiven und negativen Ladungen und damit ein ungestörtes Feld.

Die Messergebnisse passen gut zu den theoretischen Überlegungen: Die Ladungsverschiebung von einer Platte bis zur Mitte des Feldes ist die Hälfte der gesamten Arbeit von Platte zu Platte, entsprechend ist die Teilspannung die Hälfte der Gesamtspannung.

4. Elektronenkanone

Eine sogenannte Elektronenkanone ist das entscheidende Bauteil in jeder Fernsehröhre. Mit einem Glühdraht (Glühkathode) werden im Innern einer evakuierten Röhre freie Elektronen erzeugt. Diese werden anschließend zu einer positiven Anode beschleunigt und gelangen dann durch ein Loch zur Leuchtschicht an der Vorderseite der Fernsehröhre, wo ihr Auftreffen Leuchtpunkte anregt.

Berechnung Geschwindigkeit der Elektronen - bitte klicken Sie auf die Lupe

Man kann die Geschwindigkeit der Elektronen aus der angelegten Spannung berechnen: Das Produkt aus Spannung und Ladung ist die elektrische Energie in Elektronenvolt, die die Elektronen nach dem Durchlaufen aufgenommen haben.

Oszilloskop

Zur waagrechten und senkrechten Ablenkung des Elektronenstrahls können Plattenpaare verwendet werden, an die jeweils eine veränderliche Hochspannung angelegt wird. So funktionieren elektrische Messgeräte für Spannungssignale, sogenannte Oszilloskope. Bei Fernsehern werden dagegen Spulen zur Ablenkung des Elektronenstrahls verwendet; dies wird in einer späteren Folge erläutert.

5. Bestimmung der Elementarladung

Der amerikanische Physiker Robert A. Millikan bekam für eine glänzende Idee den Nobelpreis: Er baute eine Anordnung mit einem kleinen Plattenkondensator mit waagrecht angeordneten Platten. Dazu gehören ferner eine seitliche Beleuchtung und ein Beobachtungsmikroskop. Damit beobachtete er kleinste geladene Öltröpfchen, die er je nach Wahl der angelegten Spannung steigen, sinken oder schweben lassen konnte.

Schematische Darstellung: Öltröpfchen zwischen den Platten des Plattenkondensators

Die Öltröpfchen bringt man folgendermaßen zwischen die Platten: In einen Kunststoffzylinder, der sich oberhalb des Plattenkondensators befindet, wird mit einer Pustevorrichtung ein feinst verteilter Ölnebel eingesprüht. Einige der Tröpfchen nehmen durch die Reibung einige Ladungen auf. Viele Ölkügelchen werden durch ein Loch in der oberen Platte in das Kondensatorfeld gesaugt. Die geladenen Ölkügelchen erkennt man dadurch, dass sie auf die Spannung reagieren.

Das Öltröpfchen-Diagramm: Klicken Sie bitte auf die Lupe.

Für das Steigen, Sinken oder Schweben kann man Gleichungen aufstellen und aus Messwerten die Ladung errechnen. Nach Auswertung von vielen beobachteten Öltröpfchen zeigt das Diagramm: Die Öltröpfchen tragen unabhängig von ihrer Größe nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung. Nie wurde eine Ladung kleiner als e beobachtet!

Überprüfen Sie Ihr Wissen!

Quiz | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Physik Quiz: Elektrische Spannung

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