95. Verteilung der Elektrizität auf einem Leiter. Wirkung der Spitze.

[Abbildung: Fig. 123.]

Wenn auf einem ^Leiter^ Elektrizität vorhanden ist, ^so verbreitet sie

sich^, da die einzelnen Teilmengen der Elektrizität sich gegenseitig

abstoßen, ^über die ganze Oberfläche^. Aber nur auf einer Kugel ist sie

gleichmäßig verteilt, d. h. so, daß auf jedem gleich großen

Flächenstückchen gleich viel Elektrizität sitzt; ^auf jedem anderen

Leiter ist sie ungleichmäßig verteilt und zwar so, daß an den stärker

gekrümmten Stellen die Elektrizität dichter ist^; je stärker also eine

Stelle gekrümmt ist, um so mehr Elektrizität sitzt auf ihr.

(Elektrisches Verteilungsgesetz.) Die Figur 123 stellt einen isolierten

Leiter vor, dessen Oberfläche verschiedene Krümmung besitzt. Die

gestrichelte Linie soll durch ihren Abstand von der Oberfläche angeben,

wie groß etwa die Dichte der Elektrizität an jeder Stelle ist.

Wenn auf einem Leiter eine ^Spitze^ angebracht ist, so ist, weil die

Fläche an der Spitze ungemein stark gekrümmt ist, #die Dichte der

Elektrizität auf der Spitze sehr groß#.

Mit der Dichte der Elektrizität wächst ihre ^Spannung^, das ist die nach

außen gerichtete abstoßende Kraft der gleichnamig elektrischen Teilchen;

damit wächst auch das Bestreben und die Fähigkeit, von dem Leiter

wegzugehen, die Luft zu durchbrechen und auf einen benachbarten Leiter

überzuspringen, #elektrischer Funke#. Da aber auf einer Spitze die

Dichte und damit auch die Spannung der Elektrizität sehr groß ist, so

kann die Elektrizität ^durch eine Spitze leicht ausströmen^. Hiebei

werden die der Spitze zunächst liegenden Luftteilchen elektrisch

geladen, als gleichnamig elektrisch von der Spitze abgestoßen und

entführen so der Spitze die Elektrizität.

Bringt man auf dem Knopfe des Elektroskops eine Spitze an, und nähert

ihr die elektrische Glasstange, so wird das Elektroskop influenziert, an

den Blättchen +, an der Spitze -; die - Elektrizität strömt durch die

Spitze leicht aus, geht durch die Luft zur Glasstange und neutralisiert

sich mit der dort befindlichen + Elektrizität; die Elektrizität der

Blättchen bleibt im Elektroskope; es ist + geladen: #Ein Elektroskop

kann gleichnamig geladen werden durch Influenz und Ausströmen der

Influenzelektrizität erster Art durch eine Spitze.# Da einerseits die

influenzierten Mengen + und - Elektrizität gleich sind, anderseits nur

so viel freie + ~E~ im Elektroskop zurückbleibt, als - ~E~ bei der

Spitze ausströmt, und schließlich die ausströmende - ~E~ eine gleiche

Menge + ~E~ der Glasstange neutralisiert, so verliert die Glasstange so

viel + ~E~, als schließlich im Elektroskop freie + ~E~ vorhanden ist. Es

^schaut also so aus, als sei ein Teil der + ~E~ von der Glasstange weg

durch die Luft und die Spitze in das Elektroskop gegangen^; man sagt

abkürzend: #die Spitze saugt die Elektrizität auf#.

Man kann jeden isolierten Leiter elektrisch machen, wenn man auf ihm

eine Spitze anbringt und dieser einen elektrischen Körper nähert.

Umgekehrt, wenn man einem isolierten Leiter, der eine Spitze besitzt,

Elektrizität mitteilt, #so strömt fast alle Elektrizität durch die

Spitze aus#; nur ein kleiner Rest bleibt auf dem Leiter, so daß die

Elektrizität auf ihm nur eine geringe Spannung bekommt. An einem Leiter,

dem man größere Mengen Elektrizität mitteilen will, müssen demnach

Spitzen, scharfe Ecken und Kanten vermieden werden; er muß möglichst

schwach gekrümmte, glatte Flächen haben.

Von Wichtigkeit sind noch folgende Sätze:

Der Sitz der Elektrizität auf einem isolierten Leiter ist dessen äußere

Oberfläche; im Innern eines geschlossenen oder nur nahezu geschlossenen,

hohlen Leiters gibt es keine freie Elektrizität. Nachweis mittels eines

biegsamen Drahtnetzes.

Ein elektrischer Leiter, welcher in das Innere eines metallischen

Hohlkörpers gebracht wird, gibt bei Berührung mit der Innenwand seine

ganze Ladung an die umschließende Metallhülle ab.

Bei gleichbleibender Ladung nimmt die elektrische Dichte eines Körpers

in dem Maße ab, als seine Oberfläche vergrößert wird. Nachweis durch

Aufrollen eines Drahtnetzes, sowie durch Seifenblase.

Ist die Elektrizität auf einem Leiter nach dem Flächengesetz in

verschiedener Dichte verteilt, so hat sie doch auf der ganzen Oberfläche

denselben Zustandsgrad; denn ein Elektroskop gibt, mit beliebigen

Punkten der Oberfläche leitend verbunden, stets denselben Ausschlag.

Dieser Zustandsgrad heißt das #Potenzial# der Elektrizität. #Die

Elektrizität hat auf der ganzen Oberfläche des Leiters dasselbe

Potenzial.# Als ^Einheit^ des Elektrizitätsgrades oder des ^Potenzials^

ist eingeführt das ~^Volt^~. Man kann ein Elektroskop nach ~Volt~

eichen, so daß am Grad des Ausschlages direkt die Anzahl der ~Volt~

abgelesen werden können.

Die durch Reibung hervorgebrachte Elektrizität kann leicht einen sehr

hohen Zustandsgrad erreichen; so kann die Hartgummiplatte des

Elektrophors durch Peitschen mit dem Fuchsschwanz einen

Elektrizitätsgrad von ca. 30 000 ~Volt~ erreichen. Die Höhe des

Potenzials ist aber von der Natur der verwendeten Stoffe abhängig; sie

erreicht bei bestimmter Stärke des Reibens ein ^Maximum^ und kann durch

noch heftigeres Peitschen nicht weiter erhöht werden.

Ein Potenzial von ca. 1000 ~Volt~ liefert einen Funken von ca. 1 _mm_

Länge, weshalb mittels des Elektrophors Funken von ca. 30 _mm_ Länge

erhalten werden können.

#Das Potenzial wächst auf ein und demselben Leiter mit der Dichte.# Gibt

man dem Leiter eine doppelte Ladung, so zeigt er einen entsprechend

größeren Ausschlag am Elektroskop: er hat doppeltes Potenzial.

Wenn man drei isolierte aber leitend verbundene Kugeln gemeinsam ladet,

so haben sie dasselbe Potenzial; denn sowohl verbunden, als auch jede

für sich, geben sie denselben Ausschlag am Elektroskop. Prüft man die

Dichten, so verhalten sie sich umgekehrt wie die Radien, wie es dem

Flächengesetz entspricht. Die zweimal größere Kugel hat also eine

zweimal kleinere Dichte, aber eine viermal größere Oberfläche, demnach

eine zweimal größere Ladung. #Bei gleichem Potenzial verhalten sich die

auf zwei Kugeln befindlichen Mengen Elektrizität wie die Radien der

Kugeln.#

#Die Elektrizität ist der Menge nach unzerstörbar.# Wenn man die auf

einem Leiter befindliche Elektrizität auf beliebige andere Leiter

verbreitet und schließlich wieder auf dem ersten Leiter ansammelt, so

hat sie dieselben Eigenschaften wie zuerst, ist also unverändert

geblieben. Daß die Elektrizität, wenn man sie auf einen ungemein großen

Körper verbreitet, also etwa zur Erde ableitet, für unsere Wahrnehmung

verschwunden ist, spricht nicht gegen ihre Unzerstörbarkeit.

Wegen der Unzerstörbarkeit kann man die Elektrizität wie eine Masse

betrachten, welche sich von den gewöhnlichen Massen jedoch dadurch

unterscheidet, daß sie, mit einer gleich großen Menge entgegengesetzter

Elektrizität zusammengebracht, verschwindet. Wenn man eine Kugel von 1

_cm_ Radius auf den Elektrizitätsgrad 1 ~Volt~ ladet, so ist die Menge

der auf der Kugel vorhandenen Elektrizität = ¹/₃₀₀ der Mengeneinheit.

Eine Kugel von ~r~ _cm_ Radius enthält also bei demselben Grade ~r~ .

¹/₃₀₀ Mengeneinheit. Dieselbe Kugel enthält dann bei ~n~ ~Volt~ eine

Elektrizitätsmenge ~n~ · ~r~ · ¹/₃₀₀ Mengeneinheiten.

Man nennt eine Menge von 3000 Millionen Elektrizitätseinheiten 1

~^Coulomb^~. Sie ist von solcher Größe, daß wir für gewöhnlich keinen

Leiter mit 1 ~Coulomb~ laden können; denn eine Kugel von 100 _cm_

Durchmesser enthält bei 30 000 ~Volt~ nur 100 · 30 000 · ¹/₃₀₀ = 10 000

Mengeneinheiten, also nur ¹/₃₀₀ ₀₀₀ ~Coulomb~.

Bringt man gleiche Mengen Elektrizität auf Leiter von verschiedener Form

und Größe, so zeigen sie am Elektroskop verschiedenen Ausschlag, also

verschiedenen Zustandsgrad, verschiedenes Potenzial. Diese Leiter haben

verschiedene #Kapazität#. Ein Leiter hat die zweifache Kapazität, wenn

man auf ihn zweimal so viel Elektrizität bringen muß, damit er dasselbe

Potenzial hat.

Die #Kapazität# wird gemessen durch die #Menge# Elektrizität, welche man

einem Leiter geben muß, damit er ein bestimmtes Potenzial erreicht.

Nimmt ein Leiter bei 1 ~Volt~ eine Elektrizitätsmenge von 1 ~Coulomb~

auf, so sagt man, er hat die ^Kapazität^ von 1 ~^Farad^~. Da die

Kapazität der gewöhnlichen Konduktoren eine viel geringere ist, so nennt

man die Kapazität von ein Milliontel ~Coulomb~ ein ~^Mikrofarad^~.

Soll Elektrizität auf einen Leiter gebracht werden, so daß er ein

bestimmtes Potenzial erhält, so ist dazu eine gewisse Arbeit

erforderlich, und umgekehrt: Fließt Elektrizität von einem Leiter zur

Erde ab, so leistet sie dabei eine gewisse Arbeit. Das #Potenzial# einer

Ladung kann gemessen werden durch die #Arbeit#, welche eine gewisse

Menge Elektrizität, die auf einem Leiter von bestimmter Kapazität ist,

beim Abfließen leistet. Geht hiebei die Menge von 1 ~Coulomb~ von

Zustandsgrad 1 ~Volt~ auf die Spannung Null zurück, oder geht sie von

der Spannung ~n~ ~Volt~ auf die Spannung ~n - 1 Volt~ zurück, so leistet

sie die Arbeit von 1 ~^Watt^~. Geht aber eine Menge von ~M~ ~Coulomb~ in

der Spannung um ~V~ ~Volt~ zurück, so leistet sie die Arbeit von ~M · V

Watt~. Hiebei ist 1 ~Watt~ = ¹/₉,₈₁ _kgm_.

Beispiel. Ein Konduktor von Kugelform und 10 _cm_ Radius enthält bei

60 000 ~Volt~

1 2

10 · 60 000 · --- = 2000 Mengeneinheiten = --------- ~Coulomb~.

300 3 000 000

Lehrbuch der Physik zum Schulgebrauche. · 第 99 / 340 题