Coulombsches Gesetz - Feldstärke im radialsymmetrischen E-Feld

Durch die Hochspannung können das Cassy oder der Kraftsensor – oder der angeschlossene Computer – beschädigt werden. Unbedingt Erdungshinweise beachten. Auch hier. Erfahrungswert bei Nutzung des Mobile-Cassy-2: Erdung der mittleren, schwarzen Buchse.

Inhalt

Coulombsches Gesetz - Kraft auf eine el. geladenen Kugel im E-Feld einer anderen el. gel. Kugel
Variation: Kraft im E-Feld eines Stabs / eines Zylinders

Coulombsches Gesetz

Erdung des MC2 - auch damit der angeschlossene Computer heile bleibt!

Versuchsaufbau zum Coulombschen Gesetz mit Sensor-Cassy-2 (2). Wesentliche Bauteile sind der Kraftsensor (1) und der Wegaufnehmer (3).

Messwerte (125195)

Alle Messwerte mit Ausnahme der ersten drei wurden für eine 1/x²-Anpassung genutzt. (beide Kugeln an ca. 25 kV negativ geladen)

Datentabelle

s bzw. r / cm	F / mN
4,61	3,2
4,81	2,95
5,54	2,54
6,17	2,2
6,75	1,82
7,53	1,46
8,58	1,02
9,82	0,83
11,47	0,65
13,19	0,52
14,66	0,37
16,5	0,31
17,91	0,34
18,71	0,24
19,39	0,29
20,09	0,22
21,08	0,21
22,39	0,2
23,75	0,22
25,01	0,14

Cassy-Lab-2

Cassy-Datei, Typ CassyLab 2.x

Coulomb-Messwerte_Okt-2018-125195.labx

Messwerte (125182)

Alle Messwerte mit Ausnahme des ersten wurden für eine 1/x²-Anpassung genutzt. (beide Kugeln an ca. 25 kV negativ geladen)

Datentabelle

s bzw. r / cm	F / mN
5,01	5,95
6,17	5,29
7,41	3,66
8,52	2,72
9,88	1,99
11,68	1,36
13,82	0,90
16,42	0,59
19,31	0,30
22,33	0,16
24,99	0,08

Der Kraftsensor zeigt nach Abschluss der Messreihe eine Kraft von -0,25 mN. Wenn dieser Betrag als Offset hinzugenommen wird, ergibt sich:

s bzw. r / cm	F / mN
5,01	6,20
6,17	5,54
7,41	3,91
8,52	2,97
9,88	2,24
11,68	1,61
13,82	1,15
16,42	0,84
19,31	0,55
22,33	0,41
24,99	0,33

Insbesondere bei Außerachtlassung des ersten Werts (Influenz!), folgt F ~ 1/r² bzw. F r² = 210 mN cm².

Für die angenommen gleichgroßen Kugelladungen Q = q folgt nach dem Coulombschen Gesetz ( F = 1/(4 π ε₀) Q q / r² )

mit Qq = 4 π ε₀ F r² = 4 π ε₀ 210 mN · cm² dann q = Q = √( 4 π ε₀ 210 mN · cm²) = 4,8 · 10^-8 C = 48 nC

Cassy-Lab-2

Cassy-Datei, Typ CassyLab 2.x

Coulomb-Messwerte_Sept-2018-125182.labx

Durchführung (Variante 1)

Wichtig: Cassy und Stativ/Gehäuse des Kraftsensors mit GND verbinden!!!
Kugeln und insbes. Kugelhalterungen reinigen: Seife, Wasser oder Glasreiniger, dann mit dest. Wasser und abtrocknen
Messintervall 200 ms
Kugeln auf maximalen Abstand bringen, z.B. 30 cm
am besten: Cassy mit Trigger (Start, sobald s < 30 cm)
Messung starten (Trigger wartet)
Kugeln über GND entladen
Kugeln aufladen, dabei eine Hand des Experimentators mit GND verbunden
Kugeln aufeinander zubewegen (Reiter bei Mittenstand 5 cm als Begrenzung setzen)

Durchführung (Variante 2)

Wichtig: Cassy und Stativ/Gehäuse des Kraftsensors mit GND verbinden!!!
Kugeln und insbes. Kugelhalterungen reinigen: Seife, Wasser oder Glasreiniger, dann mit dest. Wasser und abtrocknen
Messintervall 200 ms
Kugeln auf ca. 5 cm Mittenabstand bringen (=ca. 1 cm Oberflächenabstand)
am besten: Cassy mit Trigger (Start, sobald s > 5 cm)
Messung starten (Trigger wartet)
Kugeln über GND entladen
Kugeln aufladen, dabei eine Hand des Experimentators mit GND verbunden
Kugeln voneinander entfernen

Geräte

Kraftsensor 1N LD 524060
Wegaufnehmer = Drehbewegunssensor 524082 (Auflösung erheblich besser als beim Kombi-Speichenrad)

Lehrmaterial

experimental setup Coulomb — Fragmente des Versuchsaufbaus

Variation: Kraft im elektrischen Feld eines Stabs / Zylinders

Eine Papprolle (Küchenrolle) der Länge ca. 20 cm und mit Durchmesser ca. 3-4 cm wird mit einer Lage Alu-Folie versehen und anstelle der Kugel auf den Messwagen gesetzt. Der Versuch wird dann in gleicher Weise durchgeführt wie oben beschrieben.

Die Kurve zeigt eine 1/s bzw. 1/r-Anpassung

Cassy-Lab-2

Cassy-Datei, Typ CassyLab 2.x

E-Feld-Stab-125197.labx

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