Versuch 
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Coulomb-Gesetz (Pasco Torsionsdrehwaage)

Info

Aufbau
Aufbau
Aufladung der beiden Kugeln, während sie sich noch in maximaler Entfernung voneinander befinden.
Aufladung der beiden Kugeln, während sie sich noch in maximaler Entfernung voneinander befinden.
Platzierung der Ladungssonde während der Messungen. Das Netzgerät muss zwischen den Aufladungsvorgängen nicht ausgeschaltet werden.
Platzierung der Ladungssonde während der Messungen. Das Netzgerät muss zwischen den Aufladungsvorgängen nicht ausgeschaltet werden.
Die elektrostatische Abstoßungskraft zwischen den Kugeln bewirkt eine Verdrehung des Torsionsdrahtes.
Die elektrostatische Abstoßungskraft zwischen den Kugeln bewirkt eine Verdrehung des Torsionsdrahtes.
Der Winkel, um den der Torsionsdraht verdreht werden muss, um zur Gleichgewichtslage zurückzukehren, ist direkt proportional zur elektrostatischen Kraft zwischen den Kugeln.
Der Winkel, um den der Torsionsdraht verdreht werden muss, um zur Gleichgewichtslage zurückzukehren, ist direkt proportional zur elektrostatischen Kraft zwischen den Kugeln.
Die Kugeln wurden bei 6 kV aufgeladen und die Coulomb-Kraft bei verschiedenen Abständen gemessen.
Die Kugeln wurden bei 6 kV aufgeladen und die Coulomb-Kraft bei verschiedenen Abständen gemessen.
Der Betrag der Coulomb-Kraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den beiden Ladungsschwerpunkten.
Der Betrag der Coulomb-Kraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den beiden Ladungsschwerpunkten.
Die Kugeln wurden bei unterschiedlichen Spannungen aufgeladen.
Die Kugeln wurden bei unterschiedlichen Spannungen aufgeladen.
Der Betrag der Coulomb-Kraft ist proportional zu beiden Ladungen.
Der Betrag der Coulomb-Kraft ist proportional zu beiden Ladungen.
Achtung: Damit der Torsionsdraht beim Verschieben des Tisches nicht reißt, muss die Gegengewichtsplatte eingeklemmt werden.
Achtung: Damit der Torsionsdraht beim Verschieben des Tisches nicht reißt, muss die Gegengewichtsplatte eingeklemmt werden.
Zum Austarieren werden Kupferringe auf die Platte gesteckt.
Zum Austarieren werden Kupferringe auf die Platte gesteckt.
Magnetische Dämpfung. Die Gegengewichtsplatte befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Magneten des Dämpfungsarms.
Magnetische Dämpfung. Die Gegengewichtsplatte befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Magneten des Dämpfungsarms.
Wenn oben der Drehknopf auf 0° steht, muss sich der Strich auf der Platte gegenüber der Nullpunktmarkierung befinden.
Wenn oben der Drehknopf auf 0° steht, muss sich der Strich auf der Platte gegenüber der Nullpunktmarkierung befinden.
Die untere Befestigung des Torsionsdrahts wird so gedreht, dass der Strich auf der Gegengewichtsplatte bei 0° genau gegenüber der Nullpunktmarkierung steht.
Die untere Befestigung des Torsionsdrahts wird so gedreht, dass der Strich auf der Gegengewichtsplatte bei 0° genau gegenüber der Nullpunktmarkierung steht.
Der Kugeldurchmesser beträgt 38 mm. Bei Berührung der beiden Kugeln muss das Lineal einen Abstand von 3,8 cm anzeigen.
Der Kugeldurchmesser beträgt 38 mm. Bei Berührung der beiden Kugeln muss das Lineal einen Abstand von 3,8 cm anzeigen.

Messung der Kräfte zwischen elektrisch geladenen Kugeln in Abhängigkeit von der Ladung und der Entfernung.
Eine Konduktorkugel ist auf einer Stange befestigt, ausbalanciert und an einem dünnen Torsionsdraht aufgehängt. Die zweite, identische Kugel ist auf einer Schiebevorrichtung montiert, sodass sie in unterschiedlichen Abständen zur aufgehängten Kugel positioniert werden kann. Zur Durchführung des Experiments lädt man erst beide Kugeln auf, und nähert danach die Kugel auf der Gleitschiene bis zum gewünschten Abstand r. Die elektrostatische Kraft zwischen den Kugeln bewirkt eine Verdrehung des Torsionsdrahtes. Der Winkel, um den der Torsionsdraht verdreht werden muss, um zur Gleichgewichtslage zurückzukehren, ist direkt proportional zur elektrostatischen Kraft zwischen den Kugeln.

Die Bestimmung der Coulomb-Konstante k ist mit dieser Torsionsdrehwaage zeitaufwändig aber möglich. Dazu bestimmt man zum einen die Torsionskonstante K (ca. 10 µN/°) unter Zuhilfenahme von Milligramm-Massen und zum anderen die Ladungen q1 und q2 mit Hilfe eines Elektrometers mit Faraday-Eimer.

Vorbereitungsdauer: 1.0 Tage
Durchführungsdauer: 5 Minuten
Sicherheitszeichen:

Beschreibung

Video von Pasco: https://www.youtube.com/watch?v=Pn64KOEpbzs (Letzter Zugriff 25.03.2026)

Hinweise zur Durchführung:

  • Synthetische Stoffe neigen dazu, sich aufzuladen. Deshalb ist Baumwollkleidung besser geeignet.
  • Beim Aufladen der Kugeln sollte man die Ladesonde am Ende des Griffs halten. Durch die Hand in Nähe der Kugel entsteht nämlich ein kapazitiver Effekt, der die Ladung der Kugel bei einer gegebenen Spannung erhöht.
  • Da gewisse Ladungsverluste immer stattfinden, sollten die Messungen nach dem Aufladen der Kugeln so schnell wie möglich durchgeführt werden.
  • Nach der Messung zieht man die Kugel auf der Schiene so weit wie möglich von der hängenden Kugel weg und stellt die Torsionsskala auf 0° zurück. Es kann nötig bzw. vorteilhaft sein, die Kugeln, Tisch und Ständer, u.s.w. mit einer geerdeten Sonde zu berühren.
  • Vor jeder Messung müssen die Kugeln neu aufgeladen werden.
Empfohlene Spannungen: 7, 6, 5, 4 und 3 kV bei einem konstanten Anstand von r = 10 cm.
Empfohlene Abstände: 18, 16, 14, 10, 9, 8, und 7 cm bei gleicher Aufladung mit 6 kV.
Empfohlene Abstände von Pasco: 14, 10, 9, 8, 7, 6 und 5 cm bei gleicher Aufladung mit 6 kV.

Hinweise zur Auswertung:
Wenn zwei geladene Kugeln einander soweit angenähert werden, dass ihr Abstand r im Vergleich zum Kugelradius R nicht mehr sehr groß ist, verteilen sich die Ladungen auf den Kugeln neu, um die elektrostatische Energie zu minimieren. Die Kraft zwischen den Kugeln ist daher besonders bei kleinen Kugelabständen geringer, als sie zwischen Punktladungen wäre.
Diese Abweichung lässt sich korrigieren, indem man jeden Torsionswinkel durch den entsprechenden Korrekturfaktor B dividiert.
\(B = 1-4\frac{R^{3}}{r^{3}}\) wobei R dem Radius der Kugeln entspricht und r der Abstand zwischen den Kugeln ist.

Hinweise zum Aufbau:
  • Transportsicherung nicht vergessen! Damit der Torsionsdraht beim Verschieben des Tisches nicht reißt, muss die Gegengewichtsplatte eingeklemmt werden.
  • Zum Austarieren werden Kupferringe auf die Platte gesteckt und nach Bedarf verschoben.
  • Wenn oben der Drehknopf auf 0° steht, muss sich der Strich auf der Platte gegenüber der Nullpunktmarkierung befinden. Die untere Befestigung des Torsionsdrahts wird so gedreht (siehe Pfeile auf dem Foto), dass der Strich auf der Gegengewichtsplatte bei 0° genau gegenüber der Nullpunktmarkierung steht.
  • Der Kugeldurchmesser beträgt 38 mm. Bei Berührung der beiden Kugeln muss das Lineal einen Abstand von 3,8 cm anzeigen.