Einführung

In diesem Experiment wird eine geladene Metallkugel zwischen die Platten eines aufgeladenen Kondensators gebracht. Durch die angelegte Spannung U entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten, das auf die Metallkugel eine Kraft ausübt und sie in Bewegung versetzt. Dieser Artikel beschreibt die dabei wirkenden Kräfte, die Bewegung der Kugel und den Einfluss der Entladung des Kondensators auf den Vorgang.

Das elektrische Feld und die auf die Kugel wirkende Kraft

Ein Kondensator besteht aus zwei parallelen Platten, zwischen denen ein homogenes elektrisches Feld herrscht, wenn eine Spannung U angelegt wird. Die elektrische Feldstärke E zwischen den Platten lässt sich berechnen durch:

E = U / d

Hierbei ist d der Abstand zwischen den Kondensatorplatten. Eine geladene Metallkugel mit der Ladung q, die sich im elektrischen Feld befindet, erfährt die Coulomb-Kraft F, die durch das elektrische Feld auf sie ausgeübt wird:

F = q * E oder F = q * U/d

Diese Kraft bewirkt eine Beschleunigung der Kugel in Richtung der entgegengesetzt geladenen Platte.

Beschleunigung der Metallkugel

Die auf die Kugel wirkende Kraft führt gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz zu einer Beschleunigung a:

$a=\frac{F}{m}=\frac{q·E}{m}=\frac{q·U}{m·d}$

Hierbei ist m die Masse der Kugel. Die Kugel wird also in Richtung der entgegengesetzt geladenen Kondensatorplatte beschleunigt. Die Beschleunigung bleibt dabei so lange konstant, wie das elektrische Feld konstant ist, also solange der Kondensator geladen ist.

Entladung des Kondensators

Während des Vorgangs verliert der Kondensator allmählich seine Ladung, da die Kugel die entgegengesetzte Platte erreicht und die Ladung übertragen wird. Dies führt zu einer Reduktion der elektrischen Feldstärke E und somit zu einer Abnahme der auf die Kugel wirkenden Kraft.

Mit abnehmender Ladung der Kondensatorplatten verringert sich also die Beschleunigung der Kugel, bis der Kondensator vollständig entladen ist und das elektrische Feld verschwindet. In diesem Moment wird die Bewegung der Kugel beendet.