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Ziel des Versuchs:
Mit der Coulomb‘schen Drehwaage sollen folgende Zusammenhänge des Coulomb-Gesetzes demonstriert werden:
- \(F \sim \frac{1}{r^2}\)
- \(F \sim q_{1}\cdot q_{2}\)
Versuchsdurchführung:
Die Kraft zwischen beiden Kugelelektroden wird durch die Verdrillung des Torsionsfadens der Apparatur gemessen. Hierzu wird ein Laserstrahl auf den kleinen Spiegel gerichtet, der am Torsionsdraht befestigt ist. Der Laser wird vor dem Aufladen der Kugeln so justiert, dass der Laserpunkt auf einer großen Skala an der Hörsaalwand, die Nullmarke trifft. Werden die Kugeln nun aufgeladen, kann über die Auslenkung des Laserpunktes auf der Wandskala die Verdrillung des Torsionsdrahtes bzw. die Kraftwirkung zwischen den geladenen Kugeln sichtbar gemacht werden. Eine Skala an der verschiebbaren Kugelelektrode ermöglicht hierbei die Abstandsabhängigkeit des Coulomb-Gesetzes zu zeigen. Zusätzlich kann die Ladung der Kugeln durch eine gleichartige Hilfskugel in definierter Weise verändert werden (z.B. Halbieren der Ladung).
a) Verdoppelung des Abstands
Der Abstand der ungeladenen Kugeln wird auf 10cm justiert. In dieser Position soll der Laserpunkt die Nullmarke treffen. Die Kugeln werden nun geladen und der Laserpunkt wandert auf der Skala nach rechts. Verdoppelt man nun den Kugelabstand auf 20cm, so geht die Kraft und folglich die Auslenkung des Laserstrahls auf ein Viertel zurück. Bei 30cm Abstand oder Verdreifachung des Abstandes geht die Auslenkung auf ein Neuntel zurück.
b) Halbierung der Ladungen
Der Kugelabstand wird wieder auf 10cm justiert. Die Ladung der verstellbaren Kugelelektrode wird halbiert. Zuerst wird der Kugelstab mit dem Erdungskabel entladen. Anschließend wird dieser Kugelstab mit der festen Kugelelektrode in Berührung gebracht. Die Anzeige auf der Skala geht auf die Hälfte zurück, da die Hälfte der Ladung auf der Kugelelektrode nun auf den Kugelstab übergegangen ist. Folglich gilt:
\(F_{1}=\left( \frac{1}{2}\cdot q_{1}\right) \cdot q_{2} \cdot const. = \frac{1}{2} \cdot F\).
Wird nun der Kugelstab nochmals geerdet und in Berührung mit der beweglichen Kugelelektrode gebracht, so wird die Ladung auf dieser ebenfalls halbiert und die Kraftwirkung bzw. Auslenkung geht auf ein Viertel zurück:
\(F_{1}=\left( \frac{1}{2}\cdot q_{1}\right) \cdot \left( \frac{1}{2}\cdot q_{2}\right) \cdot const. = \frac{1}{4} \cdot F\)