9. – 13. Schuljahr

Elektrische Feldlinien visualisieren

Ein universelles Selbstbau-System für Demonstrationsversuche

Der Feldbegriff stellt im Physikunterricht nicht nur ein zentrales Thema dar, er ist bei richtiger Präsentation auch von großer Ästhetik. Als problematisch erweist sich bisweilen jedoch die Visualisierung der Feldlinien.
Bei den gängigen, kommerziell erhältlichen Systemen zur Visualisierung elektrischer Feldlinien ist die Elektrodenanordnung zumeist fest vorgegeben und somit nicht oder nur sehr schwer variierbar. Zudem sind kommerzielle Systeme häufig so klein und räumlich eng, dass Details nur schwer zu erkennen sind. 1)
Großes Potenzial für den Unterricht sehen die Autoren vor allem in einer Vielzahl möglicher Elektroden-Arrangements. Beim hier vorgestellten Selbstbau-System (s. Kästen 1 – 2) reicht die Bandbreite von der Visualisierung einfacher homogener und radialer Felder über vielpolige Felder aus Flächenladungen und/oder Punktladungen bis hin zum Faraday-Käfig (s. Kästen 3 – 4).
Materialien und Werkzeug
Materialien und Werkzeug
Die Materialien können über Elektronikfachgeschäfte, Baumärkte, Industriebedarf, Laborbedarf-Zulieferer, Modellbaugeschäfte und das Internet bezogen werden.
Für den Bau werden folgende Materialien und Werkzeuge benötigt:
Materialien
  • Kunststoffpetrischale (d  145 mm)
  • Messingdrähte (d = 1,5 mm und d = 1,0 mm; Länge 1 m)
  • Feder-Blechmutter (6,5 mm) aus dem Karosseriebau
  • pro Elektrode ein Bananenstecker (3,5 mm oder 4 mm)
  • drei bis vier Steckerbuchsen (passend zu den o.g. Bananensteckern)
  • 1 m Hochspannungslitze (HV-Litze) rot
  • 1 m Hochspannungslitze (HV-Litze) schwarz (oder blau)
  • drei bis vier Steckerbuchsen zum Verbinden der Hochspannungslitzen mit der Spannungsquelle
  • Kupferdichtungsringe (Außendurchmesser 50 mm bzw. 100 mm)
  • Kupferblechstreifen (Stärke  1 mm)
  • Unterlegscheiben (d  10 mm)
Werkzeuge
  • Lötkolben und Lötzinn (1 – 1,5 mm)
  • Flachzange, Abisolierzange
  • Blechschere
  • Satz kleine Schraubendreher
  • ggfs. Schmirgelpapier (Körnung zwischen 120 und 320)
Aufbau der Elektroden und Elektrodenhalter
Aufbau der Elektroden und Elektrodenhalter
Die diversen Elektroden und Elektrodenhalter werden alle auf die gleiche Weise hergestellt. Abbildung 1 zeigt eine Auswahl der hierfür benötigten Bauteile (s.a. Kasten 1).
Bau der Elektrode
Benötigt werden (s.a. Abb. 2 ):
  • Bananenstecker (1),
  • Messingdraht (2) mit d = 1,5 mm und l = 10±1 cm,
  • Messingdraht 1 mm, der zu einem offenen Ring mit einem Durchmesser von ca. 10 – 15 mm geformt wurde (3).
Der 1,5-mm-Messingdraht (2) (die Länge des Drahtes richtet sich nach dem gewünschten Aufbau) wird an den 3,5-mm-Bananenstecker (1) endseitig gelötet (s. Abb. 2). Anschließend wird der offene Messingdrahtring in den Bananenstecker eingeschlauft, zu einem Ring geschlossen und verlötet (s. Abb. 3 ). Der Ring ist nicht zwingend erforderlich, erleichtert jedoch die spätere Handhabung des Aufbaus erheblich.
Nun wird die Elektrode an der gewünschten Stelle abgewinkelt (s. Abb. 3); die Abwinkelung sollte mindestens 3 cm lang sein (eine nachträgliche Kürzung ist jederzeit möglich).
Auf diese Weise erhält man eine Punktladungselektrode, die in ihrer Grundform für eine Vielzahl von weiteren Elektrodenformen und z.B. auch zum Kontaktieren von anderen Elektroden verwendet werden kann.
Bau des Elektrodenhalters
Für den Bau eines Elektrodenhalters werden benötigt (s.a. Abb. 4 ):
  • Steckerbuchse (3,5 mm) (4),
  • Feder-Blechmutter (6,5 mm) (5) und
  • HV-Litze (6a) zum Anschluss an die Spannungsquelle.
Die HV-Litze (6a) wurde zur späteren Kontaktierung mit der Spannungsquelle mit einer 4-mm-Buchse (6b) ausgestattet. Sollte vor Ort eine andere Steckerdimension Verwendung finden, so muss dies hier berücksichtigt werden.
Die HV-Litze (6a) mit der Buchse (6b) und die Steckerbuchse (3,5 mm) (4) werden auf die Vorderseite der Feder-Blechmutter gelötet (s. Abb. 4). Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die „Öffnung der...

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