Spannende Physik der Plus-/ Minus-Ladungen. Elektrostatik einfach - mit ...

“Die spannende Physik der Plus- und Minus-Ladungen einfach erklärt. (Pics: ChatGPT)”

Elektrische Ladungen spielen überall im eine Rolle: im Alltag, in der Technik. Physikunterricht entdecken wir grundlegende Eigenschaften: Ladungen werden durch Reibung erzeugt. Wir erzeugen elektrische Ladungen durch Reiben von Luftballons.

Luftballons können durch Reibung Haare abstehen lassen. Im Video zeigen wir die Experimente live, erklären die Physik und zeigen Anwendungen der Reibungselektrität, darunter ganz moderne, nämlich TENG (Triboelektrische Nano-Generatoren)

00:00 Intro: gerubbelte Luftballons kleben sich fest

00:26 Es gibt doch 2 Arten Ladungen!? Wie können wir das darstellen?

00:42 Ergebnis Wolle-Wolle: Ballons stoßen sich ab

00:46 Expeiment PET-PET, Ergebnis: Ballons stoßen sich ebenfalls ab

01:06 Experiment Wolle-PET, Ergebnis: Ballons ziehen sie an

01:32 Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an: zwei Arten von Ladungen

01:45 Entdeckt, dass es Ladungsarten gibt: Grund zum Feiern. Aber wie kam es dazu?

01:59 Charles du Fay: Glas-Elektrizität und Harz-Elektrizität (Bernstein). Analog Wolle und PET!
02:10 Benjamin Franklin: positive und negative Ladungen! Und: nur 1 Art Ladungen. Plus-Minus durch Ladungsverteilung
02:26 Damit Modell für Übertragung von Elektronen. Wolle in den Ballon, PET: in den Kunststoff
02:39 Warum ist das so? Materialeigenschaft, Austrittsarbeit!

02:29 Austrittsarbeiten (Work function) im Diagramm dargestellt
03:33 Noch Versuch zur Absicherung, das Plus-Plus funktioniert. Und Experiment-Tipps

03:46 Ab jetzt: Zusammenhang, Physik erklärt, Praxis und Anwendungen

03:54 Energiearten: mechanische Energie, innere Energie, elektrische Energie

04:13 Ablauf: Rubbeln (mechanisch) bis Ladungstrennung (elektrisch), 2 Geschichten

04:24 Kontaktelektrizität = Berührungselektrizität

04:35 Reibungselektrizität

04:48 Batterien sind das elektrochemische Analogon zu Kontaktelektrizität

05:03 Reibungselektrizität, Kunststoff-Bodenbelag - und Autoreifen sind schwarz

05:24 Neu: Nutzung der Triboelektrizität mit TENGs

05:39 Schluss: von einfachen Luftballons-Experimenten zum modernster HighTec

Experiment:
1 Luftballons, die mit Wolle gerieben werden, stoßen sich ab
2 Luftballons, die mit PET-Flaschen gerieben werden, stoßen sich ebenfalls ab.

3 Wenn ein Luftballon mit Wolle, der andere mit PET gerieben wird, dann ziehen sich diese an.

Schon im 18. Jahrhundert - es war die Zeit der Aufklärung mit sehr vielen Entdeckungen - hat Charles du Fay mit ganz ähnlichen Rubbel-Experimenten die zwei Arten der Elektrizität gefunden. Er nannte sie “Glas-Elektrizität” und “Harz-Elektrizität”. Harz bedeutet Bernstein. Wenig später hat Benjamin Franklin dafür die Bezeichnungen positive Ladung und negative Ladung eingeführt. Und er hat festgestellt, dass es nur eine Art von Ladungen gibt. Und das plus und minus hängt davon ab, wo die Ladungen sind.

Welche Energien sind beteiligt?
Mechanische Energie: Rubbeln

Innere Energie - Austrittsarbeit

Elektrische Energie: Ladungstrennung

Erste Geschichte: Die Rubbelenergie erzeugt den engen Kontakt der Materialien und daraus entsteht elektrische Energie. Das wird als Kontaktelektrizität oder Berührungselektrizität bezeichnet.

Zweite Geschichte: Die Reibung wird in elektrische elektrische Energie umgesetzt. Das wird als Reibungselektrizität bezeichnet.

Profi-Tipp: Analogie elektrochemische Spannungsreihe und  tribologische Reihe.

Die zweite Geschichte: Zum Beispiel hast du sicher schon auf einem Kunststoff-Fußboden einen elektrischen Schlag bekommen. Autoreifen enthalten Ruß, damit sie besser leiten und man beim Aussteigen keinen Schlag bekommt.

Ganz neu sind Triboelektrische Generatoren, die gibt es erst seit 2012 als Produkte. Diese winzigen Geräte machen aus Bewegungen und Vibrationen Energie und sind Stromquellen für Mikro-Geräte in der vernetzten Welt des Internet of Things.

Praxistipps:

Wenn die Materialien sauber und trocken sind, klappt es wird gar nicht so viel rubbeln

Das Rubbeln mit Wolle klappt immer und prima. Das Rubbeln mit PET ist nicht so leicht reproduzierbar. Bei den Plastikflaschen vorher das Etikett wegmachen und sie dann gut waschen.

Ganz neue Nutzung der Reibungselektrizität: Schritte und Bewegungen erzeugen Strom. Der kann genutzt werden für viele kleine, vernetzte Geräte im Internet der Dinge, das wir je heute bereits haben. Die Geräte heißen TENG (triboelectric nano generator).

https://de.wikipedia.org/wiki/Charles_du_Fay

https://de.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Benjamin_Franklin_Robert_Feke.jpg Robert Feke, Public domain, via Wikimedia Commons

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/Charles_Fran%C3%A7ois_de_Cisternay_du_Fay.jpg Émile Thomas (graveur), Public domain, via Wikimedia Commons

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https://www.youtube.com/watch?v=C8_jYtzsf4k Tapping Triboelectric Nanogenerator