Unerklärliche Ladungserzeugung

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Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Freitag 20. November 2009, 17:50

Hallo zusammen

Folgendes Experiment wurde gemacht:
0) Setup: Metallkugel, welche an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist sowie eine zweite Metallkugel, welche sich in 10 cm Abstand von der erstel Kugel befindet und welche anfangs ungeladen ist.
1) Die erste Metallkugel wird aufgeladen, jedoch nur soweit, dass keine Funke zur zweiten Kugel durch die Luft überspringen kann.
2) Die zweite Metallkugel wird mit einem Draht berührt, welcher mit der Erde verbunden ist. Beobachtung: Die zweite Kugel wird entladen, d.h. ein Strom fliesst von ihr zur Erde.

Frage: Wieso befindet sich auf der zweiten Kugel überhaupt eine Ladung? Woher kommt diese Ladung?

Danke im voraus für Eure Antworten
Karl
kgiger
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon anders am Freitag 20. November 2009, 23:25

Das hat mit dem Aufbau der Materie zu tun, die bekanntlich aus Atomen besteht.
Die Atome wiederum bestehen aus einem positiv geladenenen Kern, der von den negativ geladenen Elektronen umgeben ist, sodass das Atom insgesamt elektrisch neutral ist.
Die meisten Stoffe (Schwefel, Papier, Teflon,...) sind einigermassen gute Isolatoren, was daran liegt, dass die Elektronen ziemlich fest an ihr Atom gebunden sind.
Es stehen also keine freien Ladungsträger zur Verfügung, die im elektrischen Feld wandern und so für Leitfähigkeit sorgen könnten.

Bei Metallen sieht das etwas anders aus.
Deren Kristalle sind aus regelmäßig angeordneten positiv geladenen Ionen aufgebaut, was natürlich auch bedeutet, dass dafür jedes Metallatom ein Elektron abgegeben hat.
Die Elektronen, sie sind ja viel winziger als die dicken Metallionen, können sich sehr frei im Kristallgitter des Metalls bewegen. Man spricht deshalb auch von einem Elektronengas, mit dem der Kristall erfüllt ist.
Obwohl sich dieses Elektronengas sehr leicht bewegen kann, so gibt es dabei doch ein bischen Reibung, und die ist dann für den elektrischen Widerstand verantwortlich.

Um auf deine Frage zurückzukommen:
Wie oben erklärt, sind in Metallen tatsächlich immer enorm viele (--> Avogadro-Konstante) freie Ladungen vorhanden, von denen sich auch einige auf der Oberfläche befinden.
Wenn man nun für ein (inhomogenes) elektrisches Feld sorgt, indem man die erste geladene Metallkugel in die Nähe bringt, so verschieben sich die Oberflächenladungen auf der zweiten Kugel.
In welche Richtung sie sich verschieben, hängt von der Ladung der ersten Kugel ab.
Ist sie positiv, so werden die Oberflächenelektronen davon angezogen.
Dadurch entsteht auf der anderen Seite der zweiten Kugel natürlich ein Elektronenmangel, was nichts anderes bedeutet, als dass diese Seite gegenüber Erde nun auch positiv geladen erscheint.

Wenn du nun den geerdeten Kupferdraht, auch darin können sich die Elektronen ja frei bewegen, näherst, so werden dessen Elektronen von dem Elektronenmangel auf der zweiten Kugel angezogen und bei Berührung wird der Elektronenmangel ausgeglichen.
Dementsprechend erscheint die zweite Kugel nun ungeladen.

Nun aber kommt der eigentliche Trick, den man euch wohl nicht gezeigt hat:
Nach der Entladung mittels Kupferdraht, besteht die lokale Anhäufung von Elektronen gegenüber der Kugel_1 ja weiterhin. Der Kupferdraht hat sogar noch ein paar Elektronen hinzu gefügt.

Also entfernen wir als erstes den Kupferdraht, es fliesst ja nun ohnehin kein Strom mehr darin.
Als zweites entfernen wir nun auch noch die erste Kugel, die ja für den Elektronenberg auf der ihr zugewandten Seite gesorgt hat.
Als Folge "zerfliesst" diese Anhäufung von Elektronen, bis die Oberflächenladung der zweiten Kugel wieder überall gleichmäßig ist.
Nur:
Es befinden sich jetzt ja mehr Elektronen auf der zweiten Kugel, was nicht anderes bedeutet, als dass sie negativ geladen wurde. :idea:

Die ganze Geschichte nennt sich "Ladung durch Influenz" und spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung höchster Gleichspannungen.
anders
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon Walter am Samstag 21. November 2009, 06:33

Moin anders,

super Erklärung!

Grüße
Walter
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Samstag 21. November 2009, 14:00

Danke anders für die wirklich gute Erklärung.

Habe zum Thema Influenz gleich noch einmal eine Frage.
Setup:
Plattenkondensator mit zwei Metallplatten dazwischen, d.h. die Anordnung von linke nach rechts ist folgende:
1. Platte des Kondensators - Luft - Metallplatte - Luft - Metallplatte - Luft - 2. Platte des Kondensator
Die Platten sind alle vertikal angeordnet.

Zu Beginn des Experiments wird der Plattenkondensator geladen. Da sich die zwei Metallplatten nicht berühren, herrscht überall, ausser im Inneren der Metallplatten (wegen Influenz), das angelegte elektrische Feld. Man legt nun von einer Metallplatte einen Draht nach oben aus dem E-Feld (nehmen wir einmal an weit genug weg, dass das E-Feld des Plattenkondensators keinen Einfluss mehr hat), dann horizontal rüber bis zur zweiten Metallplatte und schliesslich wieder senkrecht nach unten zur zweiten Platte. Somit sind die zwei Metallplatten also über einen extern verlaufenden Draht verbunden.

Nun die Frage:
Eliminiert man durch das Verbinden der zwei Metallplatten das elektrische Feld zwischen den beiden Metallplatten? Ich vermute diese Anordnung (d.h. zwei sich nicht berührende Metallplatten im E-Feld, welche aber ausserhalb des E-Feldes über einen Leiter verbunden sind) verhält sich genauso wie wenn man einen Metallblock ins E-Feld einbringt, in welchem das E-Feld wegen Influenz auch aufgehoben wird. Stimmt diese Vermutung?

Gruss
Karl
kgiger
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon anders am Samstag 21. November 2009, 17:21

1. Platte des Kondensators - Luft - Metallplatte - Luft - Metallplatte - Luft - 2. Platte des Kondensator
Was du da beschreibst ist, ist nichts anderes als die Hintereinanderschaltung von drei Kondensatoren.
Auch wenn die Platten der einzelnen Kondensatoren gleich groß sind, so können die Kapazitäten doch unterschiedlich sein, wenn die Abstände der Platten nicht gleich sind.
Die Spannungen der einzelnen Kondensatoren addieren sich zur Gesamtspannung und die Teilspannungen verhalten sich umgekehrt proportional zu den Kapazitäten.
Damit kann man die Spannung jeder einzelnen Platte leicht ausrechnen.

Mit dem Draht schliesst du nun, je nach Richtung, einen der Kondensatoren, oder eine Reihenschaltung von zweien kurz.
Die ausserhalb dieses Stromkreises liegenden Kondensatoren merken von dem Kurzschluss nichts, ändern also ihre Teilspannungen auch nicht.

Wenn du nur einen der Kondensatoren kurzschliesst, ist die Sache einfach: Spätestens nach ein paar sehr schnellen Schwingungen (mit Umpolung!) aufgrund der stets vorhandenen Induktivität der Leitung haben Verluste des Dielektrikums und Ohmsche Verluste die einst im Kondensator gespeicherte Energie in Wärme verwandelt.
Dann ist seine Klemmenspannung Null und es gibt auch kein elektrisches Feld mehr zwischen seinen Platten.

Wenn man zwei hintereinandergeschalte Kondensatoren kurzschliesst, wird es etwas komplizierter, weil sich deren Ladungen neu verteilen.
Auch hierbei ist am Schluss logischerweise die Summenspannung dieser Hintereinanderschaltung Null.
Da auch normalerweise keine Elektronen abhanden kommen, bekommt dabei der eine Kondensator genausoviel Ladung zugeführt, wie der andere abgibt. Wer will kann das ausrechnen. Dabei Vorzeichen beachten!
In diesem speziellen Fall sollte sich ergeben, dass am Schluss die Spannungen der beiden Teil-Kondensatoren, unabhängig von ihrer Grösse, ebenfalls Null betragen.
anders
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Sonntag 22. November 2009, 08:47

Was du da beschreibst ist, ist nichts anderes als die Hintereinanderschaltung von drei Kondensatoren.

Welche drei Kondensatoren meinst Du? Ich sehe nur zwei.

Mit dem Draht schliesst du nun, je nach Richtung, einen der Kondensatoren, oder eine Reihenschaltung von zweien kurz.
Die ausserhalb dieses Stromkreises liegenden Kondensatoren merken von dem Kurzschluss nichts, ändern also ihre Teilspannungen auch nicht.

Was meinst Du mit "je nach Richtung"?
Wieso kurzschliessen von einer oder zwei Reihenschaltungen? Welche zwei Reihenschaltungen meinst Du? Ich sehe nur eine.
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Sonntag 22. November 2009, 10:25

kgiger hat geschrieben:
Was du da beschreibst ist, ist nichts anderes als die Hintereinanderschaltung von drei Kondensatoren.

Welche drei Kondensatoren meinst Du? Ich sehe nur zwei.

Mit dem Draht schliesst du nun, je nach Richtung, einen der Kondensatoren, oder eine Reihenschaltung von zweien kurz.
Die ausserhalb dieses Stromkreises liegenden Kondensatoren merken von dem Kurzschluss nichts, ändern also ihre Teilspannungen auch nicht.

Was meinst Du mit "je nach Richtung"?
Wieso kurzschliessen von einer oder zwei Reihenschaltungen? Welche zwei Reihenschaltungen meinst Du? Ich sehe nur eine.


Hallo Karl,

da Anders einen schlimmen Schnupfen hat, springe ich mal schnell ein. Wenn du vier Regalbretter nimmst, dann hast du dazwischen drei Fächer oder nennen wir es Räume. Den dritten Kondensator mußt du mit dem mittleren Fach vergleichen. Und mit Richtung meint Anders, dass du ja auch von den Außenplatten sowohl von Minus als auch von Plus aus eine der mittleren Platten kurzschließen kannst.
Aus dem gesagten ergibt sich dann von selbst, dass du auch zwei der Reihenschaltungen kurzschließen kannst O.K.?
Diese Betrachtung gilt zunächst für einen erdpotentialfreien Augbau, was bei den üblichen statischen Aufladungen nicht der Fall ist. Auf deine alleine stehende Kugel zurückzukommen, kannst du die als Sonderfall betrachten, bei dem diese eine der Kondensatorplatten repräsentiert und der gesamte abgeschlossene Raum darum herum mit allen Inhalten inklusive den eventuell dadurch zu Berge stehenden Haaren des Experimentators, den Gegenpol bilden. Die ungeerdete Nachbarkugel daneben entspricht dann einer deiner obigen Platten und übernimmt natürlich auf Grund des Abstandes eine größere Umladung ( Elektronenverschiebung ) als eine der gleichen Größe weiter davon weg.

Vielleicht konnte ich dir ein wenig helfen

schönen Sonntag

Lothar
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 22. November 2009, 11:29

Danke Lothar!
So ganz schlimm ist der Schnupfen zum Glück nicht.
Auch habe ich gelesen, dass wenn man einen Ringelschwanz bekommt, dieser nicht von der Schweinegrippe herrührt, sondern eine Nebenwirkung von Viagr.. sei. :lol:

Es gibt bei dieser Geschichte noch einen anderen, verblüffenden Aspekt. kgiger hat nur den Versuchsaufbau zu kompliziert gewählt und sich damit die freie Sicht auf die Dinge verbaut.

Folgendes Gedankenexperiment:
Gegeben sei ein aufgeladener Kondensator aus zwei gleichgrossen parallelen und ebenen Metallplatten (quadratisch oder kreisrund), zwischen denen ein homogenes elektrisches Feld herrsche.
Die Platten sollen gross und ihr Abstand klein sein, sodass wir den Einfluss der gekrümmten Feldlinien am Rand vernachlässigen können.
Ausserdem sei eine Platte gegen Erde positiv, die andere auf die gleiche Spannung, aber negativ aufgeladen.

Jetzt führen wir mittig zu den beiden Kondensatorplatten eine dritte gleichgrosse und sehr dünne, gegen Erde ungeladene, Metallplatte ein.

Dabei beobachten wir, dass während des Einführens diese Platte in den Kondensator hineingezogen wird.
Man gewinnt also mechanische Energie Kraft*Weg.
(Ebenso muss man die Platte gegen diese Kraft herausziehen und dabei mechanische Energie in das System hineinstecken.)
Für die Kraft, das ist klar, sind die durch die Influenz verbogenen Feldlinien im Innern des Kondensators verantwortlich.

Woher aber stammt die mechanische Energie?
Ladung, Kapazität und damit die Klemmenspannung des ursprünglichen Kondensators sind am Ende des Experiments doch unverändert. Auch das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten ist dann wieder homogen.
Haben wir soeben das Perpetuum Mobile erfunden?


Es darf nachgedacht werden. 8)
Vor morgen abend werde ich aber nicht auflösen.
Vielleicht findet inzwischen jemand sogar einen mathematischen Ausdruck für die so gewonnene mechanische Arbeit.
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Sonntag 22. November 2009, 13:11

Zuerst einmal wünsche ich Dir, Anders, eine Gute Besserung!

Und mit Richtung meint Anders, dass du ja auch von den Außenplatten sowohl von Minus als auch von Plus aus eine der mittleren Platten kurzschließen kannst.

Meine Frage bezog sich aber nicht auf das Verbinden einer Aussenplatte mit einer der mittleren Platten sondern auf das Verbinden der beiden mittleren Platten und nur der beiden mittleren Platten. Was passiert dann?
Eliminiert man durch das Verbinden der zwei Metallplatten das elektrische Feld zwischen den beiden Metallplatten? Ich vermute diese Anordnung (d.h. zwei sich nicht berührende Metallplatten im E-Feld, welche aber ausserhalb des E-Feldes über einen Leiter verbunden sind) verhält sich genauso wie wenn man einen Metallblock ins E-Feld einbringt, in welchem das E-Feld wegen Influenz auch aufgehoben wird. Stimmt diese Vermutung?


Woher aber stammt die mechanische Energie?

Beim Einbringen werden die freien Ladungen in der Metallplatte verschoben (Influenz). Ich denke da drin steckt nachher die Energie, welche man in Form von mechanischer Arbeit aufbringen muss, um die Metallplatte wieder rauszuziehen.
kgiger
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 22. November 2009, 19:16

Ich vermute diese Anordnung (d.h. zwei sich nicht berührende Metallplatten im E-Feld, welche aber ausserhalb des E-Feldes über einen Leiter verbunden sind) verhält sich genauso wie wenn man einen Metallblock ins E-Feld einbringt, in welchem das E-Feld wegen Influenz auch aufgehoben wird. Stimmt diese Vermutung?
Ja, zwischen den miteinander verbundenen Platten befindet sich ein feldfreier Raum.

Ich denke da drin steckt nachher die Energie, welche man in Form von mechanischer Arbeit aufbringen muss, um die Metallplatte wieder rauszuziehen.
Nicht richtig. Beim Einführen der Metallplatte gibt das System ja die Energie ab, die man nachher wieder zuführen muss.
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Freitag 8. Januar 2010, 19:30

Hallo anders

Noch einmal eine Frage zum gleichen Thema.
Setup von links nach rechts:
Positive Elektrode - Luft - 1. Metallplatte - Luft - 2. Metallplatte - Luft - Negative Elektrode
wobei alle Elektroden/Metallplatten vertikal angeordnet sind.

Nehmen wird jetzt an, die Elektroden werden zuerst aufgeladen. Dadurch verschieben sich die Elektronen in den beiden Metallplatten an die linke Oberfläche und an der rechten Oberfläche bleiben positive Ladungen zurück.
Wenn man nun mit einem Draht, die rechte (d.h. positive) Oberfläche der 1. Metallplatte mit der Erde verbindet und die linke (d.h. negative) Oberfläche der 2. Metallplatte mit der Erde verbindet, dann wird die erste Metall platte positiv und die zweite Metallplatte negativ geladen (Ladung durch Influenz).

Nun die Frage:
Wenn man die Elektroden entlädt bzw. entfernt, und dann die beiden Metallplatten mit einem Draht verbindet, dann fliesst ein Strom, bis sie sich gegenseitig neutralisiert haben.
Was passiert aber, wenn man die Elektroden geladen beibehält und die beiden Metallplatten mit einem Draht verbindet? Findet dann auch ein Ladungsaustausch statt?
Bzw. spielt es eine Rolle, ob man die einander gegenüberliegenden Seiten der Metallplatten verbindet (welche vor dem Verbinden ja neutral sind) bzw. die beiden voneinander weggerichteten Seiten der Metallplatten verbindet (welche vor dem Verbinden ja negativ bzw. positiv geladen sind)?

Gruss
Karl

PS: Zudem wäre ich noch froh über die Auflösung Deiner letzten Frage, welche ich anscheinend falsch beantwortet habe.
kgiger
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon SAD am Samstag 9. Januar 2010, 19:28

Gruß SAD
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Sonntag 10. Januar 2010, 08:04

Hallo Karl,

du machst dir das unnütz schwer.
Hier steckt schon der erste Denkfehler:

Wenn man nun mit einem Draht, die rechte (d.h. positive) Oberfläche der 1. Metallplatte mit der Erde verbindet und die linke (d.h. negative) Oberfläche der 2. Metallplatte mit der Erde verbindet, dann wird die erste Metall platte positiv und die zweite Metallplatte negativ geladen (Ladung durch Influenz).


Egal, ob du die Platten mit einem Draht direkt verbindest oder zwei mal über Erdpotential, findet in jedem Fall ein Ladungsausgleich statt.

Dadurch verschieben sich die Elektronen in den beiden Metallplatten an die linke Oberfläche und an der rechten Oberfläche bleiben positive Ladungen zurück.


Hier hast du dich wohl unglücklich ausgedrückt . Falls nicht, eine Platte hat immer auf beiden Seiten die selbe Art Ladungsträger oder einen Ladungsträgermangel.

Was passiert aber, wenn man die Elektroden geladen beibehält und die beiden Metallplatten mit einem Draht verbindet? Findet dann auch ein Ladungsaustausch statt?


Das verbinden von Platten, die einen Potentialunterschied haben, führt grundsätzlich zu einem Potentialausgleich. das geht aber aus dem bisher gesagten schon hervor.

Du solltest dein Vorstellungsvermögen mit einbinden und versuchen langsamer an die Sache heran zu gehen.

Einen schönen Sonntag

Lothar
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon kgiger am Sonntag 10. Januar 2010, 12:36

Hallo Lothar

Ich hoffe, wir reden hier nicht einander vorbei. Falls doch, entschuldige mein Unverständnis Deiner Antwort.

Meine Frage bezieht sich auf das, was passiert, nachdem man die beiden Metallplatten auf die gleiche Art aufgeladen hat, wie Anders es für die Metallkugel im 2. Threadeintrag beschrieben hatte.
Es befinden sich jetzt ja mehr Elektronen auf der zweiten Kugel, was nicht anderes bedeutet, als dass sie negativ geladen wurde.


Der einzige Unterschied dazu besteht darin, dass es beim jetzigen Beispiel um zwei (und zwar gegensätzlich) geladene Metallplatten (statt einer Metallkugel) geht.
Nach dem Aufladevorgang, hat man auf der 1. Metallplatte (wie bei Anders Kugel) einen Ueberschuss an Elektronen und auf der 2. Metallplatte (genau umgekehrt wie bei Anders Kugel) einen Mangel an Elektronen.

Nochmals die Frage:
Wenn man die Elektroden entlädt bzw. entfernt (d.h. das durch die Elektroden erzeugte E-Feld entfernt), und dann die beiden Metallplatten mit einem Draht verbindet, dann fliesst ein Strom, bis sie sich gegenseitig neutralisiert haben. Das ist klar.
Was passiert aber, wenn man die Elektroden geladen beibehält (d.h. das von den Elektroden erzeugte E-Feld aufrechterhält) und die beiden Metallplatten mit einem Draht verbindet? Findet dann auch ein Ladungsaustausch statt? Oder verhindert das von den Elektroden erzeugte E-Feld den Ladungsaustausch?
Bzw. spielt es eine Rolle, ob man die einander gegenüberliegenden Seiten der Metallplatten verbindet (welche vor dem Verbinden ja neutral sind) bzw. die beiden voneinander weggerichteten Seiten der Metallplatten verbindet (welche vor dem Verbinden ja negativ bzw. positiv geladen sind)?

Falls nicht, eine Platte hat immer auf beiden Seiten die selbe Art Ladungsträger oder einen Ladungsträgermangel.

Unter dem Einfluss eines äusseren E-Feldes eben gerade nicht, sondern es werden die Elektronen zur einen Oberfläche geschoben und auf der anderen bleiben positive Ladungen zurück (Influenz).

Du solltest dein Vorstellungsvermögen mit einbinden und versuchen langsamer an die Sache heran zu gehen.

Wie soll ich mir den die Ladungsverteilung z.B. auf Anders Kugel (siehe 2. Threadeintrag) vorstellen, nachdem sie geladen wurde, die 1. Kugel, welche positiv geladen ist, aber noch nicht entfernt wurde?
Dementsprechend erscheint die zweite Kugel nun ungeladen.

Zumindest gemäss meinem Vorstellungsvermögen befinden sich mehr Elektronen auf derjenigen Seite der Kugel, welche der positiv geladenen Kugel (1. Kugel) zugewandt sind. Solange sich die 2. Kugel noch im E-Feld der 1. Kugel befindet, müsste das doch stimmen, nicht?

Gruss
Karl
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Re: Unerklärliche Ladungserzeugung

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Sonntag 10. Januar 2010, 18:05

Hallo Karl,

deine Ausführungen gelten für Isolatoren und dort nur bedingt. Ein Stück Metall, also ein guter Leiter für den elektrischen Strom wird niemals auf einer Seite eine andere Ladungsdichte aufweisen als auf der anderen.

Wir sind uns doch einig, wir sprechen von Gleichstrom und dass eine Aufladung schon durch einen hochohmigen Widerstand in einer gewissen Zeit entladen wird und dass diese mit einem Draht ( Stück Metall ) sich sofort umlädt / entlädt. Warum in aller Welt sollte dann eine solide Metallplatte keinen elektrischen Kurzschluss der beiden Flächen untereinander darstellen ?
Vielleicht ist die Darstellung des e Feldes bei einem Plattenkondensator verwirrend, weil man meist nur das Feld zwischen den Platten einzeichnet?
Die Betrachtung einer einseitigen Aufladung wäre bestenfalls eine momentane, welche dann an die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Elektronen gebunden wäre.
So ich hoffe, dass wir nicht mehr aneinander vorbei reden.

Gruß Lothar
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