5. – 10. Schuljahr

Lisa Stinken-Rösner

Vom Luftballon zum Van-de-Graaff-Generator

Experimente zur Elektrostatik mit Augmented-Reality-Erweiterung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Behandlung der Elektrizitätslehre im Physikunterricht stark verändert. Es existieren viele, teils gegensätzliche, Unterrichtsansätze vom historisch-genetischen Ansatz, bei dem die Elektrizitätslehre mithilfe der Elektrostatik eingeführt wird, bis zu Ansätzen, bei denen komplett auf die Elektrostatik verzichtet wird (s.a. [1] – [2]).
Aktuell wird die Elektrostatik in den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss [3] dem Basiskonzept „Wechselwirkung zugeordnet. Insbesondere die im Folgenden vorgestellten Freihandversuche bieten sich für den thematischen Einstieg an. Im weiterführenden Unterricht können komplexere Experimente zur Erweiterung und Vertiefung des neu gewonnenen Wissens eingesetzt werden. Auf diese Weise können nicht nur Kompetenzen aus dem Bereich „Fachwissen, sondern auch aus dem Bereich „Erkenntnisgewinnung gezielt gefördert werden.
Einstieg: Freihandexperimente mit Luftballons
Gängige Experimente zur Elektrostatik finden sich in diversen Schulbüchern oder Zeitschriftenbeiträgen (vgl. [4] – [5]). Neben Versuchen, bei denen Kunststoff- oder Glasstäbe mit verschiedensten Materialien gerieben werden, finden sich dort ebenfalls Versuche mit Luftballons.
Diese eignen sich dank ihrer leichten Beschaffbarkeit und ihres vorteilhaften Ladungs-Masse-Verhältnisses insbesondere zur Beobachtung von elektrostatischen Kraftwirkungen. Aufgrund ihrer geringen Oberflächenkrümmung, sind sie in der Lage, einmal aufgetragene Ladungen sehr lange zu speichern.
Elektrostatische Aufladung
Die elektrostatische Aufladung eines Stabes und eines Luftballons folgen dem gleichen Prinzip: Es wird mit der Hand oder einem Tuch (z.B. Wollpullover) mehrfach über ihn gestrichen. Aufgrund des Kontaktes zwischen den verschiedenen Materialien tritt eine Ladungstrennung auf, die als Kontakt- oder Reibungselektrizität bezeichnet wird. Das Reiben im eigentlichen Wortsinn ist dabei nicht notwendig [1], verstärkt jedoch den Effekt.
Ob ein Gegenstand negativ oder positiv aufgeladen wird, hängt von der Elektronegativität der beteiligten Stoffe ab (vgl. Abb. 1 ) und kann zum Beispiel mithilfe einer Glimmlampe, zwei anti-parallel geschalteten Dioden, einem Multimeter oder durch die Ausnutzung des photoelektrischen Effektes festgestellt werden (s. dazu [6]).
In Abbildung 2 sind exemplarisch mehrere Freihandexperimente mit Luftballons zusammengetragen. Die dazugehörige Materialliste ist in Tabelle 1 zusammengestellt. Die elektrostatische Aufladung erfolgte jeweils durch das Überstreichen oder Reiben der Ballons mit einem Baumwolltuch. Durch die vergleichsweise geringere Elektronegativität des Reibematerials (Wolle oder Baumwolle) werden die Luftballons (aus Latex) negativ aufgeladen (vgl. Abb. 1). Folgende elektrostatische Phänomene können mit den vorgestellten Freihandexperimenten thematisiert werden:
Kräfte im elektrischen Feld
Gleichnamig geladene Körper stoßen sich ab, unterschiedlich geladene Körper ziehen sich an. Beispiele dafür sind das Luftballonpendel und ein mit einem Baumwolltuch geriebener Luftballon, dem ein positiv geladener Glasstab genähert wird (vgl. Abb. 2a – b ).
Influenz
Influenz bezeichnet die räumliche Verschiebung der negativen Ladungen innerhalb eines elektrischen Leiters im E-Feld. Beispiele dafür sind ein Luftballon, der einem Elektroskop oder dem menschlichen Körper genähert wird, sodass die aufgrund der Ladungstrennung auftretenden elektrostatischen Kräfte zu einer Anziehung bzw. Abstoßung führen (vgl. Abb. 2c – d ).
Polarisation
Mit Polarisation ist die Ausrichtung der Atome bzw. Moleküle innerhalb eines Dielektrikums im elektrischen Feld gemeint. Beispiele dafür sind die Ausrichtung der Moleküle einer Tafel oder von menschlichem Haar in der Nähe eines elektrisch geladenen Luftballons, sodass die...

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