Coulombsches Gesetz

auch für Mobile-CASSY 2, Pocket-CASSY und Mobile-CASSY geeignet

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Vorsicht beim Umgang mit Hochspannung

Der hochspannungsführende Steckerstift darf weder den Experimentator noch Teile der Versuchsanordnung berühren. Insbesondere ist weder der Kraftsensor noch das Sensor-CASSY gegen Hochspannung geschützt.

Außerdem den Abstand zwischen Hochspannungskabel und den anderen isolierten Kabeln während des gesamten Experiments maximal und die Zeitdauer der eingeschalteten Hochspannung minimal halten.

Erdung von Versuchsanordnung und Experimentator

Um das Risiko der Beschädigung durch Hochspannung zu verringern, sollte der Kraftsensor und das Sensor-CASSY geerdet werden. Beim Sensor-CASSY 1 (524 010) sind dazu nach Möglichkeit die beiden Massebuchsen der Analogeingänge mit Erde zu verbinden. Beim Sensor-CASSY 2 (524 013) eignet sich dazu die schwarze Buchse der Spannungsquelle S.

Bitte verwechseln Sie dabei nicht die Erdebuchse (gelb-grün) des Hochspannungsnetzgeräts mit der Minusbuchse (blau).

Um Wechselwirkungen durch Influenzladungen zu verhindern, sollte der Experimentator während des Experiments einen geerdeten Anschlussstab in der Hand halten.

Versuchsbeschreibung

Zwei gleichnamig oder ungleichnamig aufgeladene Kugeln üben eine Kraft aufeinander aus. Diese Kraft ist proportional zu der Ladung Q einer jeden Kugel und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes x der Kugeln voneinander. Die Proportionalität F ∝ 1/x2 wird bestätigt.

Benötigte Geräte

1 Sensor-CASSY 524 010 oder 524 013
1 CASSY Lab 2 524 220
     
1 Brücken-Box 524 041
  mit Kraftsensor und 314 261
  Verbindungskabel, 6polig, 1,5 m 501 16
  oder  
1 Kraftsensor S, ±1 N 524 060
     
1 Stromquellen-Box 524 031
  mit Wegaufnehmer und 529 031
  Paar Kabel, 100 cm, rot und blau 501 46
  oder  
1 Drehbewegungssensor S 524 082
     
1 Hochspannungsnetzgerät, 25 kV 521 721
1 Kabel für Hochspannungen, 1,5 m 501 051
1 Satz Ladungskörper 314 263
1 Präzisions-Metallschiene 460 82
1 Messwagen 1 337 00
2 Klemmreiter  460 95
1 Federstecker 590 02
1 Anschlussstab 532 16
1 Stativstange, 25 cm 300 41
1 Kleiner Stativfuß, V-förmig 300 02
1 Leybold-Muffe 301 01
1 Satz Antriebsmassen 337 04
1 Tischklemme, einfach 301 07
1 Angelschnur 309 48
1 Kabel, 25 cm, schwarz 500 414
1 Kabel, 200 cm, gelb-grün 501 43
1 Kabel, 25 cm, gelb-grün 500 610
1 Kabel, 100 cm, gelb-grün 500 640
1 PC mit Windows 10  

Versuchsaufbau (siehe Skizze)

Der Kraftsensor wird über die Brücken-Box auf den Eingang A des Sensor-CASSYs angeschlossen. Eine der Kugeln aus dem Satz Ladungsträger wird über das isolierende Zwischenstück auf den Kraftsensor aufgesteckt. Die zweite Kugel wird auf den Messwagen gesteckt, der sich bis zum Klemmreiter frei auf der Präzisions-Metallschiene bewegen kann.

Die Abstandsmessung der Kugeln geschieht über den Wegaufnehmer an der Stromquellen-Box auf Eingang B des Sensor-CASSYs. Dazu wird ein Faden vom Messwagen über die Umlenkrolle des Wegaufnehmers mit einem Massestück gespannt. Dabei muss die Weganzeige sB1 bei zunehmendem Abstand ebenfalls zunehmen und bei Berührung etwa 0 cm anzeigen.

Aus Sicherheitsgründen muss die Stromquellenbox und der Kraftsensor geerdet werden. Dazu ist mit Hilfe eines Federsteckers und eines Experimentierkabels der Kraftsensor mit der Erdbuchse des Hochspannungsnetzgeräts zu verbinden.

Experimentierhinweise

Für den Experimentiererfolg ist es entscheidend, dass genug Ladung auf die Kugeln aufgebracht werden kann und die Ladung auch dort bleibt (wenigstens während der kurzen Zeit des Experiments). Nach der Aufladung beider Kugeln sollte bei einem Abstand von 0,5 cm eine Kraft von mindestens 5 mN gemessen werden und auch einige Sekunden unverändert bleiben. Falls nicht:

Versuchsdurchführung

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Auswertung

Bereits während der Messung erscheint das F(x)-Diagramm. Das Coulombsche Gesetz kann nun durch eine Hyperbelanpassung 1/x2 oder durch Umrechnen der x-Achse in 1/x2 (Achse mit rechter Maustaste anklicken) mit anschließender Geradenanpassung bestätigt werden.

Dabei stellt sich heraus, dass F ∝ 1/x2 erst ab einem Abstand von etwa 6 cm der beiden Kugelmittelpunkte gilt. Bei kürzeren Entfernungen müsste die Abstand korrigiert werden, da es sich nicht um punktförmige Ladungen handelt.


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