Messung der elektrischen Ladung

Bei den Versuchen aus dem Kosmos-Baukasten Elektro-Zauber experimentiert man mit elektrische Ladungen. Man kann feststellen, ob mehr oder weniger Ladung vorhanden ist, aber man weiß nicht genau, wie viel Ladung es ist. Das ist auch für die Versuche aus dem Handbuch gar nicht nötig. Aber vielleicht ist ja die Mama oder der Papa neugierig, mit welchen Ladungen die Kinder spielen. Für die Messung der elektrischen Ladung gibt es die Einheit Coulomb (1C=1A*1s). Bei den Versuchen treten relativ geringe Ladungen auf, die man in Nanocoulomb misst. Mit etwas zusätzlicher Elektronik ist die Messung gar nicht kompliziert.

Das Prinzip der Messung ist, dass eine geladenen Matallplatte aus dem Baukasten über einen Kondensator mit 100 Nanofarad entladen wird. Er lädt sich dabei etwas auf. Nun muss man nur noch die Spannung am geladenen Kondensator messen. Dafür ist allerdings ein besonders hochohmiger Pufferverstärker notwendig, weil jedes direkt angeschlossene Voltmeter den Kondensator sofort entladen würde. Die Schaltung des Messverstärkers ist so ausgelegt, dass Ladungen beider Polaritäten gemessen werden können. Ein Tastschalter bewirkt eine Entladung und damit ein Zurücksetzen auf Null.

Wie groß ist also nun die Ladung, die man mit Reibetuch, Folie und der Metallplatte am Isolierstiel erzeugen kann? Bei jedem Laden und nach jeder Berührung des Messeingangs steigt die Spannung um 0,6 Volt. In einem Physikbuch kann man den Zusammenhang zwischen Spannung, Ladung und Kapazität nachlesen: Q=U*C. Für einen Kondensator mit C= 100 nF folgt daraus, dass ein Spannungsanstieg von einem Volt einer Ladung von 100 nC entspricht. Also steht das Messergebnis fest: Man kann eine Ladung von rund 60 nC erzeugen.

Ist das nun viel oder wenig? Da fehlt meist der Vergleich. Fast noch interessanter und auch anschaulicher wäre eine Messung der Spannung an der geladenen Platte. Wieviele Kilovolt kann man erreichen? Diese Frage beantwortet am einfachsten eine Vergleichsmessung. Die Metallplatte wurde dazu über einen Hochspannungsgenerator mit einer bekannten Spannung von 6 kV geladen. Mit dem Ladungsmessgerät wurde dann eine Ladung von 20 nC gemessen. Da mit den Materialien aus dem Baukasten 60 nC erreicht wurden, war die Spannung also dreifach höher. Also lautet das Ergebnis: Mit dem Baukasten kann man Spannungen von etwa 18.000 Volt erreichen. Das hört sich sehr gefährlich an, ist es aber nicht, weil die Ladung nicht sehr groß ist. Wenn man die geladene Platte berührt, erhält man nur einen schwachen, gerade eben spürbaren Schlag.

Wer dieses Messgerät nachbaut, der sollte auch einmal Messungen der eigenen Ladung durchführen. Wenn man im Winter bei trockener Raumluft mit Hausschuhen über den Teppich schlurft, dann kommt da schon einiges zusammen.

Nachtrag: Platine für den Ladungsmesser

Die Zeitschrift Elektor hat die Schaltung im Heft 11/03 als Miniprojekt vorgestellt. Der vollständige Artikel und das Platinenlayout können im Internet unter www.elektor.de geladen werden. Ein Tipp für den Aufbau: Der Kondensator C2 sollte ein Folienkondensator 100 nF  sein (siehe Typen und Datenblätter von Vishay). Ein Keramikkondensator funktioniert zwar auch, hat aber größere Toleranzen.