Elektrometer

Elektroskop

Ein Elektroskop ist ein Gerät zum Nachweis elektrischer Ladungen und Spannungen. Seine Funktionsweise beruht auf der Anziehung und Abstoßung elektrischer Ladungen. Ein Elektroskop mit kalibrierter Skala nennt man auch Elektrometer. Mit ihm können elektrische Ladungen und Spannungen nicht nur nachgewiesen, sondern auch gemessen werden.

Funktionsbeschreibung

Die Funktion wird am Beispiel eines Braunschen Zeigerelektroskopes beschrieben. Die zu messende Spannung wird mittels der Anschlussklemmen zwischen das Gehäuse und den senkrechten Stab, der den Zeiger trägt, gelegt. Der Stab ist isoliert durch das Gehäuse geführt. Der Stab und der an ihm drehbar angebrachte Zeiger sind leitfähig und laden sich daher gleichnamig auf, sodass der Zeiger ausschlägt. Er wird vom Stab abgestoßen und vom Gehäuse angezogen.

Der Zeiger steigt auf der Skala hoch, bis das von der Schwerkraft erzeugte Moment ebenso viel Kraft auf den Zeiger ausübt, wie die elektrostatische Kraft. Die Skala ist in Werte der elektrischen Spannung eingeteilt.

Elektroskope messen stromlos. Das Elektroskop ist somit ein statisches Spannungsmessgerät, d.h. in ihm fließt während der Spannungsmessung theoretisch kein Strom, der das Messobjekt belasten und so die Messung verfälschen könnte. Genaugenommen fließt jedoch zu Beginn kurz ein Strom, um die Eigenkapazität des Gerätes aufzuladen. Beim Entfernen der Spannung bleibt das Elektroskop daher geladen. Erst wenn man für ein Abfließen der Ladung sorgt (z.B. durch Kurzschließen gegen das Gehäuse), kehrt der Zeiger infolge der Schwerkraft wieder in die Ruhelage zurück.

Mit der Zeit geht jedoch Ladung durch Leckströme verloren, sodass der Zeigerausschlag auch ohne Kontaktierung langsam wieder zurückgeht. Bei Umladungen auf eine gleichgroße Spannung entgegengesetzter Polarität geht der Zeiger zurück und schlägt wieder gleichweit aus. Ist die mechanische Trägheit des Zeigers zu groß, so erreicht er seine Nulllage nicht, sondern zuckt nur kurz.

Da das Instrument von der Polarität unabhängig arbeitet, eignet es sich auch für die Anzeige von Wechselspannungen. Hierbei bildet es jedoch durch die Kapazität einen Blindwiderstand und kann nicht stromlos messen: Durch die ständige Umladung fließen Verschiebungsströme.

Da der Hebelarm des Zeigers beim Ausschlagen immer größer wird, je weiter dieser ausschlägt, nimmt die rückstellende Kraft (Schwerkraft) überproportional zum Ausschlag zu. Die Skala ist daher nichtlinear. Ein großer Ausschlag bis nahe 90° Auslenkung ist nur bei großen Ladungen erreichbar.

Bauformen

Doppelzeiger-Elektroskop

Empfindliche Bauformen verwenden statt eines Einzelzeigers oft auch Doppelzeiger. Hierdurch kann die Rückstellkraft (Erdanziehung) des ähnlich einer Waage nahezu ausbalancierten Zeigers sehr gering gehalten werden. Dadurch wird es auch empfindlicher gegen Fremdeinflüsse, wie etwa Erschütterungen oder Luftströmungen. Doppelzeigerinstrumente sind daher meist relativ massiv aufgebaut und durch Glasplatten gekapselt.

Doppelzeiger-Elektroskope reagieren bereits auf geringe, z.B. durch Reiben von Kunststoffgegenständen an Textilien oder Fell erzeugte elektrostatische Ladungen (Reibungselektrizität).

Elektroskop mit gefalteter Folie als Anzeige

Hält man den geriebenen Kunststoffgegenstand an das Elektrometer, geht ein Teil seiner Ladung auf die Zeigeranordung über und man beobachtet einen Zeigerausschlag.

Folien-Elektroskop

Diese auch Blättchenelektroskop genannte Bauform besteht aus einem gefalteten Gold-, Aluminium- oder Kupferfolienstreifen, der ggf. im Vakuum über einen Drahtbügel gehängt sind. Wird das Gerät aufgeladen, spreizen sich die Folienhälften v-förmig auseinander. Diese Anordnung ist ebenfalls sehr empfindlich, jedoch lässt sich daran keine Skala anbringen - die Folienstreifen sind zu leicht und flexibel und würden sich an die Skala anlegen oder von ihr gestört werden.

Die beiden Folienhälften sollen im spannungslosen Zustand einen gewissen Mindestabstand aufweisen, sodass sich die Innenflächen der Folie nicht berühren. Sie könnten ansonsten auch bei anliegender Spannung aneinander kleben bleiben, was bei einer sicherheitsrelevanten Anwendung nicht akzeptabel ist.

Der Ausschlag nimmt bei geringerer Foliendicke bzw. -masse zu. Die Folienbreite hat abgesehen von der erhöhten elektrischen Kapazität keinen Einfluss auf den Ausschlag. Die Folienlänge dagegen beeinflusst vor allem die Form und damit die Sichtbarkeit der Ausfaltung.

Faden-Elektrometer

Fadenelektrometer nach Wulf verwenden einen oder zwei mit einem Bügel leicht gespannte Fäden, die sich bei Anlegen einer Spannung spreizen.

Erdpotentialfreie (bipolare) Elektroskope

Zeiger-Elektroskope sind auch in „bipolarer“, d.h. symmetrischer (ungeerdeter) Ausführung herstellbar, z.B. mittels isolierter Lagerung des Zeigers zwischen zwei Elektroden. Sie sind jedoch unpraktischer, da sie nach dem Prinzip der Anziehung arbeiten und die Kraft bei Annäherung ebenfalls steigt, sodass die Skalierung ungünstig eingeteilt ist. Weiterhin besteht eher die Gefahr eines Überschlags (Funke) durch den sich den Elektroden nähernden Zeiger.

In einer Bauform nach Bohnenberger kann man anhand der Lageänderung eines zwischen zwei Plattenelektroden hängenden Goldplättchens Spannungen vergleichen bzw. Differenzspannungen zwischen den Elektroden nachweisen. Bei einer Spannungsdifferenz entsteht ein Drehmoment, welches das Plättchen aus seiner Ruhelage (parallel zu den Platten) auslenkt und es mit seiner Ebene in Richtung der elektrischen Feldlinien ausrichtet. Die Länge des elektrischen Feldes zwischen den Platten wird verkürzt. Bohnenbergers Gerät ist somit ein Vergleicher - eine Skala ist auch in diesem Gerät nicht realisierbar, da sie das Feld stören würde.

Energiebilanz

Elektrometer arbeiten mechanisch, der Zeigerausschlag bedeutet mechanische Arbeit. Daraus folgt, dass bei Betrieb des Geräts elektrische Energie in das Gerät hineingeflossen sein muss. Die meiste Energie steckt in der Ladung des Aufbaues (der Eigenkapazität) und wird nicht umgewandelt. Ein Teil wird jedoch zu kinetischer Energie (Zeiger bewegt sich) und potentieller Energie (Zeigerausschlag). Während die potentielle Energie bei Entladung wieder in elektrische Energie umgewandelt wird, kann die kinetische Energie durch unelastische Stöße, Luft- und Lagerreibung in Wärme verwandelt werden. Ein Teil der Energie kann auch in die plastische Verformung der Folien fließen.

Der Stromfluss der Ladungsverschiebung verursacht aufgrund des vergleichsweise geringen elektrischen Widerstandes der Zeiger und der Aufhängung dagegen keine nennenswerten Verluste. Der Stromfluss bewirkt auch ein magnetisches Feld - auch dieses spielt jedoch für die Energiebilanz keine Rolle.

Die ständig auch im stationären Zustand verlorengehende Energie wird durch die Leckströme abgeführt. Diese umfassen einerseits Ströme durch die nicht idealen Isolatoren (Wärme) und andererseits Ladungsverluste durch ionisierte, sich entfernende und rekombinierende Luft- und Wassermoleküle sowie Staubpartikel.

Historische Bedeutung

Die Entdeckung des Radiums und Poloniums gelang Marie und Pierre Curie mit Hilfe eines einfachen Elektroskops. Dieses zeigt nicht direkt die ionisierende Strahlung, die Geschwindigkeit der Entladung wird jedoch durch ionisierende Strahlung und die damit verbundene Zunahme der Leitfähigkeit der Luft beschleunigt. Damit sind Rückschlüsse auf die Radioaktivität möglich.

Auch Messungen der Luftelektrizität (Feldstärke in der Atmosphäre, mit oder ohne Gewitter) sowie Experimente mit Ultraviolettstrahlung wurden mit Elektrometern durchgeführt.

Siehe auch

• Influenzmaschine
• Elektrofeldmeter
• Rotationsvoltmeter (bzw. auch Feldmühle)

Weblinks

• Historisches Elektrometer im virtuellen Museum der Wissenschaft