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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

Versuchsaufbau mit Mobile-Cassy-2
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, Version CassyLab 2.x
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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

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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

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E-Feld-Stab-125197.labx

 

 

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