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Ganz schön geladen –Lichtenberg und die Elektrizitätvon Peter Kasten

Der moderne naturwissenschaftliche Unterricht soll grundlegende Begriffe undGeräte wie elektrische Ladung und Kondensator verständlich machen. Wirwollen nun anregen, exemplarisch Untersuchungen und Berichte von Lichten-berg, die er vor mehr als 200 Jahren entwickelte, in den Unterricht von heuteeinzubringen.

Im 18. Jahrhundert erfreuten sich die „gehobenen Schichten“ zunehmend anelektrischen Vorgängen. In den Salons wurde experimentiert und spekuliert.Besonders eindrucksvoll war z.B. die Erzeugung künstlicher Blitze. Erst späterbeschäftigten sich Forscher gezielt mit dem Thema. Zu einer systematischenDarstellung trugen Benjamin Franklin, Alessandro Volta und auch GeorgChristoph Lichtenberg bei. Elektroskop, Leidener Flasche, Elektrophor undElektrisiermaschinen waren damals wichtige Geräte. Man untersuchte Reibungs-,Kontakt-, Wolken- und Tier-Elektrizität.

Heute gehören diese Phänomene zum Gebiet der Elektrostatik. Diese befasstsich mit elektrischen Ladungen, den Kräften zwischen ihnen, der Influenz undder Energiespeicherung in Kondensatoren. Zusammenhänge zwischen diesenlassen sich am Beispiel der Lichtenbergschen Figuren erkunden. Diese wurden1777 von Lichtenberg zufällig entdeckt und anschließend von ihm durch gezielteExperimente untersucht und beschrieben. Sie wurden später genau erklärt.

Rückblick

Zwei Körper lassen sich elektrisch aufladen durch engen Kontakt, meist durchReiben, und anschließende Trennung. Die riesige Zahl an Stoffkombinationenwurde von Lichtenberg in einer Tabelle in seinem Lehrbuch „Vorlesungen zurNaturlehre“ (4.ed. 1787, §514) sehr übersichtlich und mit den mathemati-schen Symbolen + und – für die verschiedenen Paare zusammengefasst.

KKONZEPTE

So lange man noch nicht elek-trische Mühlen anlegt, wo-durch man ganze Laboratori-en Jahre lang, mit allem wasdarinnen ist, elektrisierenkann, wird man in dieser Leh-re noch lange zurück bleiben.(K 386)

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Anregungen für zeitgemäßeAufladungsversuche

[Dieses Arbeitsblatt kann vonder Webseite www.lichtenberg-gesellschaft.de unter der Ru-brik „Schule“ heruntergeladenwerden.]

Tabelle geriebener moderner Stoffe

PLE

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GLAS

FOLIE

WATTE

GEO-DREIECK

SCHALL-PLATTE

PAPIER-TASCHENT.

KAMM

PLASTIK-BESTECK

LUFT-BALLON

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Manche dieser Stoffe lassen sich noch heute beschaffen und gegeneinander auf-laden. Ergebnisse können in der unten stehenden Tabelle eingetragen werden.

Andere Materialien lassen sich heute leichter beschaffen. Dazu kann die Tabelleauf der linken Seite verwendet werden.

Wie eine Multiplikations-tafel: geriebene Körper alsFaktoren und hervorgebrach-te Elektrizität als Produkt.

Aus: Erxleben, Anfangsgrün-de der Naturlehre, 4. Aufl.(1787)

Anregung für historisch nach-vollziehbare Aufladungs-Ex-perimente

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Vorschläge zu Aufladeversuchen:

- Ermittle mit einer Glimmlampe den jeweiligen Ladungszustandder geriebenen Stoffe.

- Untersuche verschiedene Pulver: Mehl, Pfeffer, Puderzucker,Zimt, Schwefel, Bärlappsporen auf geladene Flächen streuen.

- Untersuche Papierschnippsel aus einem Locher.

Lange Zeit konkurrierten zwei Beschreibungen für elektrische Ladungen: Benja-min Franklin (1706-1790) entwickelte 1752 sein unitaristisches Modell. Er be-schrieb Ansammlungen bzw. Mangel von „elektrischem Fluidum“ buchhalterischwie den Geldumlauf. Er kannte also nur eine Sorte von Ladungsträgern, die imÜberfluss („positiv“) oder im Mangel („negativ“) vorlagen. Beim Entladen fandein Ausgleich statt. Franklin verdeutlichte die Situation mit einem nass triefendenSchwamm, der bis zum trockenen Zustand entleert werden kann.

Nun hatten Experimente gezeigt, dass sich zwei Mangelgebiete abstoßen: Als erzwei Paar übereinander getragene Seidenstrümpfe beobachtete, stellte RobertSymmer (1707-1763) fest, dass sich auch die beiden „negativ“ geladenen Strümp-fe gegenseitig abstoßen. Dass zwei Mangelzustände aber eine Kraft aufeinanderausüben, ließ sich mit dem Franklinschen Modell nicht verstehen.

Symmer stellte 1759 sein dualistisches Modell mit zwei verschiedenen Ladun-gen vor, die sich gegenseitig neutralisieren konnten. Die Elektriztätstheoretikerzur Zeit Lichtenbergs stritten somit hauptsächlich über die Frage, ob Franklinsunitarische oder Symmers dualististische Auffassung richtig ist, ob den beidenLadungszuständen ein oder zwei elektrische „Fluida“ entsprechen.

Man versuchte, die Vorstellung von den Ladungszuständen durch bekannteAnalogien zu veranschaulichen:

Zufluss/Abfluss Wärme/Kälte Säure/Lauge

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Der berühmte Socken-Versuchvon Robert Symmer

Fig.1: Es werden zwei Sei-den-Socken zusammen übereinen Fuß angezogen, an-schließend ausgezogen undvon einander getrennt. Dabeibläht sich jeder Strumpf auf,weil sich gleichgeladene Flä-chen gegenseitig abstoßen.Die leichten Gegenstände P,die aufgehängt wurden, wer-den deutlich zu den Sockengezogen.

Fig.2: Die Socken kollabie-ren, wenn sich anschließendbeim engen Kontakt die ver-schiedenen Ladungstypenüberlagern. Der angenomme-ne elektrische Materietrans-port wird im Bild sehr unter-schiedlich in den BereichenCD und dann bei EF ange-deutet.

Aus: J.A. Nollet, Lettres surl´electricité, Vol III, p. 80. Pa-ris 1767)

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Lichtenberg konnte sich für keines der beiden Modelle entscheiden. Aber erforderte die Naturforscher auf, alles daran zu setzen, die Elektrizität der Mathe-matik näher zu bringen. Erst die Entdeckung der Elementarteilchen wie Elek-tronen und Protonen lieferte im 20. Jahrhundert ein angemessenes Bild: Nega-tiv geladene Körper besitzen einen Überschuss von Elektronen gegenüber Pro-tonen. Leiter besitzen meist bewegliche negative und ortsfeste positive Ladun-gen. Nichtleiter (Isolatoren) besitzen nur ortsfeste Ladungen.

Die Erzeugung der Lichtenbergschen Figuren

InfluenzSie wurde 1758 von Johann Carl Wilcke (1732–1796) erstmals gedeutet.

Versuch dazu: Ein positiv geladener Körper wird einem Zeiger-Elektroskop(Bennet 1787) genähert, ohne es zu berühren.

Beobachtung: Je näher man dem Elektroskop kommt, desto größer wird derZeigerausschlag, beim Entfernen geht der Zeiger wieder in die Ruhelage zu-rück.

Erklärung des Zeigerausschlags: Der positiv geladene Körper zieht die bewegli-chen Elektronen im Elektroskop zur Konduktorkugel an. Im Zeiger und derfesten Stange entstehen so positive Gebiete, die sich gegenseitig abstoßen. Ent-sprechende Veränderungen treten beim Annähern mit einem negativ geladenenKörper ein. Mit dieser Methode lassen sich in Leitern Ladungen voneinandertrennen. Die Trennung bleibt bestehen, wenn der geladene Körper das Elektro-skop berührt hat. Mit diesem als Influenz bezeichneten Vorgang lässt sich derLadungszustand eines Körpers mit einem Elektroskop bestimmen.

Aufladung eines Kondensators (Sammler)Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten und einem nicht leitendenZwischenraum (Dielektrikum). Es reicht aus, nur eine der Platten aufzuladen,weil die Influenz auf die andere Platte dort zu einer Wanderung und damit zueiner Trennung der Ladungsträger führt. Ein Kondensator ist auch dann aufge-

Elektroskop-Ausschlag durchInfluenz

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laden, wenn nur das Dielek-trikum durch Reiben aufge-laden wird. Die Ladungenverteilen sich dann auf denbeiden Platten durch Influ-enz. Kondensatoren spei-chern Energie, die sich durchEntladung abrufen lässt (z.B.Fahrradstandlicht). DurchVergrößern des Plattenab-standes werden Ladungenvoneinander getrennt unddamit der Energieinhalt desKondensators erhöht. Die 1745 in Leiden (NL) entwickelte Glasflasche mitMetallfolienbelag stellt auch einen Kondensator dar, mit Glas als Dielektrikum.Diese „Leidener Flasche“ lässt sich leicht aus einem Plastik-Joghurtbecher her-stellen, der innen und außen mit Aluminiumfolie (als Kondensatorplatten) be-klebt ist.

ElektrophorEinen besonders wirkungsvollen Kondensator entwickelten J.C. Wilcke undspäter A. Volta (1745-1827) mit dem Elektrophor (Elettrophoro perpetuo =beständiger Ladungsträger). Er ermöglicht, unbegrenzt Auf- und Entladungendurchzuführen. Das Grundprinzip wurde später gezielt in Influenzmaschinenangewandt, um hohe Spannungen zu erzeugen (siehe auch Seite 46).

Weitere Versuche mit dem Elektrophor:

- Aufladen einer Leidener Flasche- Nachweise mit Glimmlampen bzw. Elektroskop- Entladung mit Funkenbildung- Entzündung von Alkohol durch Funken

Joghurtbecher als LeidenerFlasche

Elektrophor aus der Lichten-berg-Sammlung (um 1780,76 cm hoch).

Aus: Historische Sammlungdes 1. Physikalischen Institutsder Universität Göttingen.

Historischer Aufbau

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Zum Elektrophor: Aufbauund Ladungsvorgänge

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Lichtenbergsche FigurenIn einem zweiteiligen Vortrag vor der Göttinger Akademie der Wissenschaftenmit dem Titel „De nova methodo naturam ac motum fluidi electrici investigandicommentatio prior“ („Über eine neue Methode, die Natur und Bewegung derelektrischen Materie zu erforschen“) berichtete Lichtenberg 1777/8 über seineneuartigen Beobachtungen. Es war die Entdeckung, die später mit seinem Na-men benannt wurde.

Es handelte sich um Staubablagerungen auf elektrisch geladenen Harzflächen:Solche mit radialen Strahlen und solche mit konzentrischen Ringen. Sie erin-nerten ihn an Sterne der Milchstraße oder Eisblumen an Fensterscheiben, auchan die Feldlinienbilder von Eisenfeilspänen in Magnetfeldern. Diese Zufalls-entdeckung wurde zuerst 1777 von ihm auf einem riesigen Elektrophor mit„sechs Pariser Fuß“ (0,32484 m), also 1,95 m Durchmesser beobachtet. Lichten-berg veränderte die Staubart (Glas, Schwefel, Lykopodium u.a.) und dasElektrophormaterial (Harz, Glas, Holz u.a.), um deutlichere Figuren zu erhal-ten. Er nahm auch Versuche im Vakuum vor. Zur systematischen Deutung derPhänomene ordnete er die radialstrahlenförmige Figur der Ladung +E und diekonzentrische dem Typ –E zu. Denn er wollte mit Ladungsmengen rechnen.

Elektrophor von VoltaOriginalzeichnungen aus:

Le Opere di A. Volta, Vol III(1926). Aus einem Brief an J.Priestley vom 10.Juni 1775.

Fig. 1: A Metallschüssel, BHarzkuchen, C Deckel mitIsoliergriff E, Metallkette Oisoliert. Rechts: Funken zwi-schen geerdetem Daumen Dund oberem Deckel C.

Fig. 2: Abheben des gela-denen Deckels C, Funken zurgeerdeten Fläche oder zumFinger X.

Fig. 3: Abgehobener gela-dener Deckel C mit Kontaktzur Leidener Flasche G.Entladungsfunken überDraht T.

Fig. 4: Vermutlich gelade-ne Leidener Flaschen.

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Die Bezeichnungen +E und –E hatten den weiteren Vorteil, dass sie sich imtheoretischen Streit über das Wesen der Elektrizität für beide Konzepte eigne-ten: Für Unitarier galt + = Überfluss und – = Mangel, während Dualisten +Eund –E als Namen auffassen konnten für die beiden unterschiedlichen Ladun-gen oder „Fluida“, die sich gegenseitig ausgleichen können. Damals benutzteman für unterschiedlich geladene Flächen auch die gegensätzlichen BegriffePhlogiston und Säure. Lichtenberg lehnte dies ab, weil Begriffe nicht auf einerschwankenden Theorie begründet werden dürften und weil er die Elektrizitätmit mathematischen Begriffen belegen wollte.

Literatur

Historischer Bezug

G.C. Lichtenberg, Über eineneue Methode die Natur undBewegung der elektrischen Ma-terie zu erforschen. Wieder ab-gedruckt in: Hasse, D.N.:Lichtenberg, Observationes.Göttingen: Wallstein 1997,S.142 – 203, 228 – 240

Meya, J. / Sibum, H.O.: Dasfünfte Element, Wirkungen undDeutungen der Elektrizität.Hamburg: Rowohlt 1987

Es zeigten sich mitunter fastunzählbar viele Sterne, Milch-straßen und größere Sonnen;Bogen, die an ihrer hohlenSeite dunkel, an ihrer erhabe-nen aber mit Strahlen verse-hen waren; ganz fein gebilde-te Ästchen, denen ähnlich,welche gefrorener Dampf anFensterscheiben erzeugt; fer-ner Wolken, sehenswert in ih-rer mannigfachen Gestalt. ...

Lichtenberg, Über eine neueMethode, S. 151 (vgl. Tafel I)

Tafel I: verschiedene kleinere Ge-bilde

Tafel II: positiver Ladungszustand Tafel III: negativer Ladungszustand

Tafel IV: der doppelte Elektrophormit N- und P-Flächen als Ver-suchsaufbau

Er konnte unter ihnen zwei Typenausmachen. Die von Lichtenbergbesorgten Tafeln zu seiner Abhand-lung zeigten:

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Literatur

Teichmann, J.: Experimente,die Geschichte machten. bsv1995

Heilbron, J.L.: Electricity inthe 17th and 18th Century.Berkeley 1979

Bauanleitungen

Wilke, H-J.: Geschichte derElektrostatik in Experimenten(4), Physik in der Schule. 36(2), S. 64-69 (1998)

Beuermann, G., Werner, Th.:50 kV, eine historische Elektri-siermaschine für den Selbstbaudurch Schüler, Praxis der Na-turwissenschaften-Physik 10,S. 307-309 (1981)

Einfache Versuche

Hans-Jürgen Press: Spiel – dasWissen schafft, RavensburgerVersuche 36-47 (1975)

Hans Backe: Das Physik-Experimentierbuch, HarriDeutsch, S. 117-146 (1987)

Peter Labudde: Alltags-Physik,Dümmler Verlag, S. 74-76(1986)

Anwendungen

Kilian, U.: Der Laserdrucker,Physik Journal 1, S. 76-77(2002)

So sah er in seinen Figuren den entscheidenden Nutzen, dass sie eindeutig an-gaben, welche Polarität die untersuchten Körper hatten. Außerdem meinte er,dass in den Figuren der Bewegungsablauf der elektrischen Materie sichtbar wirdund dass der Unterschied zwischen positiver und negativer Elektrizität nun er-forscht werden kann. Die damals gebräuchlichen Elektroskope konnten dasnämlich nicht. Er konnte die Figuren sogar fixieren und kopieren, so waren sieVorläufer der heutigen Xerograpie- Verfahren (Fotokopierer). Er beschreibt aucheine elektrische Geheimschrift, die Steganographie = verdeckt schreiben.

Lichtenberg wusste, dass die Wolken am Himmel elektrisch geladen sind. Umdie Art der Ladung herauszufinden, ließ er einen Drachen zu den Wolken stei-gen. Der Drachen war über einen Metalldraht mit dem Elektrophor verbun-den. So konnten auf dem Harzkuchen Lichtenbergsche Figuren entstehen, diedie Ladungsart der Wolke anzeigten. Er dachte sogar daran, mithilfe einerTrommelaufzeichnung eine Langzeitregistrierung von aufgeladenen Wolkendurchzuführen. Diesen Plan führte er allerdings nicht mehr durch. Heute las-sen sich Lichtenbergsche Figuren so feinverästelt erzeugen, dass sie nahezu selbst-ähnliche also fraktale Struktur aufweisen. (vgl. die Nature-Artikel von MartinKemp und John Heilbron auf der Webseite der Lichtenberg-Gesellschaft unterwww.lichtenberg-gesellschaft.de/schule/)