Coulomb-Gesetz

ES - 31

Messung und Auswertung mit CASSY

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Anz. Blätter:  1         Datum: 30.10.98

Karte nur zur Benutzung in den Räumen der Universität Ulm, Vorlesungssammlung Physik

Bearbeiter: 


Bild:

 

 

 

Stichworte:

Coulomb-Gesetz (mit CASSY); Kraft zwischen elektrischen Ladungen: Coulombsches Gesetz (mit CASSY)

 

Zweck:

Die Abstandsabhängigkeit der Kraft zwischen zwei geladenen Kugeln wird gemessen, grafisch dargestellt und das Coulombsche Gesetz qualitativ verifiziert.

 

Alternativen:

Der Versuch kann auch mit der Drehwaage (Versuch ES-2) oder wie hier, aber mit Schreiberaufzeichnung (Versuch ES-31 (alt)), durchgeführt werden.

 

Zubehör:

1.      Erste Kugel an Kraftaufnehmer auf separatem Tisch montieren:
Kraftaufnehmer HBM Q11, 100 p {7-11}
graphitierte Kugel an Kraftaufnehmer befestigen {76-3}
Feder Leybold 35215 {20-3}
Gummiring {1-9}
Stab mit Dämpfungsflügeln zur Befestigung des Kraftaufnehmers an der Feder {76-3}
dicke Stativstange (150 cm) {neben 1}
Stativstab (25 cm lang, 12 mm Æ)
Blechtischchen {3-8} zum Draufstellen eines Becherglases (1000 ml) mit Wasser oder ( Paraffin-Öl) zur Dämpfung

2.      Zweite Kugel auf Linearvorschub:
Linearvorschub mit Steuergerät {18-6A}
graphitierte Kugel auf Isolierstab {76-3}

3.      Als Ladungsquellen für positive und negative Ladungen:
Hochspannungsnetzgerät (±5 kV) L52237 {65-4}
Hochspannungsnetzgerät (25 kV) Phywe 11730,93 {65-4}
Voltmeter (25 kV) Phywe 11151,00 {61-1}
2 Isolatoren auf Stiel {62-4}
2 Hochspannungskabel (1 m lang) {65-4}

4.      Zur Kraftmessung
HBM-Verstärker KWS 3073 {7-5}

5.      Zur Messwerterfassung und –Auswertung:
Computer Nr. 4 mit CASSY-Interface

Aufbau:

1.      Der Kraftaufnehmer muß an einer Feder aufgehängt werden, damit er von den Gebäudeschwingungen entkoppelt ist, sonst ist keine Messung möglich. Kraftaufnehmer auf dem Stab mit Dämpfungsflügeln befestigen, dann Feder daran festschrauben (mit der kleineren Öse). Die größere Öse der Feder auf den Stativstab (25 cm lang, 12 mm Æ) stecken und das Ganze an der großen Stativstange in passender Höhe mit einer Kreuzklammer montieren.
Den Blechtisch mit dem Wasserglas unter den Kraftaufnehmer zur Dämpfung stellen. Zwischen Kraftaufnehmer und dicker Stativstange ein ganz schwach gespanntes Gummiband befestigen (hält die Lage des Aufnehmers konstant, wenn die Coulomb-Kraft wirkt).
Die Höhe der ganzen Anordnung passend zur zweiten Kugel justieren.

2.      Zweite graphitierte Kugel mit einer Verlängerung in der Klammer des Linearantriebs stecken. Passend zur ersten Kugel ausrichten. Kleinster Abstand der Kugeln zwischen den Oberflächen: 1 cm (das sind 4,8 cm von Mitte zu Mitte). Fahrweg ca. 30 cm

3.      Meßgerät (25 kV) an Netzgerät (25 kV) anschließen. Plus-Pol mit einem der Isolatoren verbinden, dann Hochspannungsleitung am Isolator anschließen. Einstellung auf +8 kV.
Am Leybold-Netzgerät den rechten Plus-Pol mit Masse und den linken Minus-Pol mit dem zweiten Isolator verbinden. An diesem dann die zweite Hochspannungsleitung anschließen. Netzgerät auf –8 kV einstellen.

4.      Kraftaufnehmer an Meßverstärker anschließen und Nullabgleich durchführen. Messung im empfindlichsten Bereich mit Brückenspeisespannung 5 V.

5.      Den Ausgang (0-10 V) des Linearantriebs an den Eingang A von CASSY und
den Ausgang des Kraftmeßverstärkers an den Eingang B anschließen.

6.      CASSY starten und die Datei ‚¼CASSY\Versuche\ES\Coulomb.LHW öffnen.

7.      Aus der Spannung UB wird der Abstand r berechnet. Um die angegebene Gleichung nicht ändern zu müssen, sollte folgendermaßen verfahren werden:
Position P1 auf etwa 4,5 cm einstellen.
Den Linearantrieb so positionieren, daß der angezeigte Wert für r mit dem tatsächlichen Abstand der Kugeln (von Mitte zu Mitte) übereinstimmt.
Position P2 auf etwa 40 cm einstellen.

 

Durchführung:

Linearantrieb in Position P2 verfahren. Kugel am Kraftaufnehmer aufladen und Kraft auf Null abgleichen. Dann zweite Kugel aufladen und mit der Leertaste die Messung starten. Kugel von P2 nach P1 verfahren und Messung wieder stoppen. Meßwerte werden nur zwischen 5 und 20 cm Abstand aufgenommen (s. Hinweis). Kraftverlauf zuerst in linearer und anschließend in doppeltlogarithmischer Darstellung zeigen. Gerade anpassen und Steigung ablesen.

Wenn die Messung mit dem Axel-Programm ausgewertet werden soll, müssen die Messdaten des Cassy-Programms exportiert werden.

Unter Datei ASCII Export die Daten nach  C.\¼CASSY\Versuche\ES\Coulomb.txt exportieren.

Im Axel-Programm können die Daten dann einfach über den Button Datenimport eingelesen werden.

Das Axel-Programm liegt ebenfalls im Verzeichnis C.\¼CASSY\Versuche\ES\Coulomb.xls auf dem Rechner Nr.4

 

Hinweis:

Kraft bei 8 kV und 2 cm Abstand: ca. 5×10-4 N

Bei kleinen Abständen zwischen den Kugeln erhält man keine r-2-Abhängigkeit, weil die Ladungen nicht gleichmäßig auf den Kugeln verteilt sind. Bei großen Abständen kommt es ebenfalls zu Abweichungen, weil die Kraft zwischen Kugel und Kraftaufnehmer oder Stativmaterial (Influenz) größer ist als zwischen den Kugeln.