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Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand?
 
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Romathemantiker



Anmeldungsdatum: 02.12.2022
Beiträge: 4

Beitrag Romathemantiker Verfasst am: 02. Dez 2022 00:37    Titel: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

Hallo,

So richtig erklären konnte es mir noch niemand und was man so dazu liest, ist immer recht oberflächlich.

Die Erklärung lautet ja meist: In Isolatoren, wie Wänden, werden die Atome polarisiert.
Dabei ist (bei maximaler Verschiebung von 0,5 Ångström und einem Zentimeter Distanz), wie man sich schnell ausrechnen kann, die Kraft der einen Ladung um lediglich ein Hundertmillionstel größer als die der anderen, welche wiederum lediglich 2,3 Quadrillionstel Newton Kraft auf eine Ladung im anderen geriebenen Gegenstand ausübt.

Da kann man also nicht so tun, als sei es völlig trivial, dass die aufaddierten elektrischen Dipolfelder in der Lage sind, mehrere Gramm Gewicht gegen die Gravitation anzuheben...

Bin mal gespannt, was ihr dazu schreibt!

PS: Darf ich noch eine Frage in diesen Thread hauen? Die kann man bestimmt schnell beantworten, aber niemand beantwortet sie im Internet. Warum ist die Spannung bei in Reihe geschalteten Spannungsquellen größer? Da liest man: "Weil die Potenziale sich addieren" am häufigsten, aber das ist ja keine richtige physikalische Erklärung, das ist mehr eine Behauptung, weil man damit ja nur in anderen Wörtern ausdrückt, wonach man gefragt hat. Und dann liest man auf LEIFI Physik z.B. noch: "Weil die Elektronen mehrmals, bei jeder Batterie, beschleunigt werden" (sinngemäß zitiert)
Man hat doch zwischen zwei hintereinander geschalteten Batterien einen Ladungsausgleich, oder nicht?
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 4430

Beitrag DrStupid Verfasst am: 02. Dez 2022 09:21    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Dabei ist (bei maximaler Verschiebung von 0,5 Ångström und einem Zentimeter Distanz), wie man sich schnell ausrechnen kann, die Kraft der einen Ladung um lediglich ein Hundertmillionstel größer als die der anderen, welche wiederum lediglich 2,3 Quadrillionstel Newton Kraft auf eine Ladung im anderen geriebenen Gegenstand ausübt.


Bei einer Kalkwand sind da aber auch rund 0,16 Quadrillionen Dipole pro Quadratzentimeter. Das unterschätzt man gern.

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Warum ist die Spannung bei in Reihe geschalteten Spannungsquellen größer? Da liest man: "Weil die Potenziale sich addieren" am häufigsten


Und diese Antwort ist korrekt. Eine Spannungsquelle sorgt für eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen Eingang und Ausgang. Wenn man zwei davon hintereinander schaltet, dann addieren sich diese Potentialdifferenzen. Ich vermute mal, dass Du eigentlich wissen willst, wie eine Spannungsquelle funktioniert. Das musst Du dann aber auch so formulieren.
Romathemantiker



Anmeldungsdatum: 02.12.2022
Beiträge: 4

Beitrag Romathemantiker Verfasst am: 05. Dez 2022 00:06    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Bei einer Kalkwand sind da aber auch rund 0,16 Quadrillionen Dipole pro Quadratzentimeter. Das unterschätzt man gern.

Ja, eben. Aber wie rechnet sich das gegeneinander aus. Gibt es dazu irgendeine Rechnung? Ich sage ja nur, dass das nicht so trivial ist, wie immer getan wird.

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Und diese Antwort ist korrekt. Eine Spannungsquelle sorgt für eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen Eingang und Ausgang. Wenn man zwei davon hintereinander schaltet, dann addieren sich diese Potentialdifferenzen. Ich vermute mal, dass Du eigentlich wissen willst, wie eine Spannungsquelle funktioniert. Das musst Du dann aber auch so formulieren.

Naja, das habe ich doch so geschrieben mit meiner Frage: "Man hat doch zwischen zwei hintereinander geschalteten Batterien einen Ladungsausgleich, oder nicht?"
Also wie kann sich das Potenzial dann erhöhen, wenn man Ladungsausgleich dazwischen hat?
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 4430

Beitrag DrStupid Verfasst am: 05. Dez 2022 10:03    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Aber wie rechnet sich das gegeneinander aus.


Im einfachsten Fall durch Multiplikation: 0,16 Quadrillionen Dipole pro cm² mal 2,3 Quadrillionstel Newton pro Dipol ergeben 0,37 Newton pro cm². Das ist schon ziemlich viel Kraft für einen Luftballon. Dazu kommt noch, dass die Kraft zwischen einer Ladung und einem permanenten Dipol mit der dritten Potenz des Abstandes abnimmt. Das bedeutet, dass die tatsächlich Kraft noch deutlich größer ist.

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Gibt es dazu irgendeine Rechnung?


Wenn man es genau wissen will, dann muss man über die gesamte Ladungsverteilung integrieren. Nur warum sollte man diesen Aufwand treiben? Um zu sehen, dass es plausibel ist, genügt schon die grobe Abschätzung.

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
"Man hat doch zwischen zwei hintereinander geschalteten Batterien einen Ladungsausgleich, oder nicht?"


Davon abgesehen, dass eine Spannungsquelle nicht unbedingt eine Batterie sein muss, führt ein Ladugsausgleich zwischen zwei Spannungsquellen lediglich dazu, dass sie mit jeweils einem Pol am gleichen Potential hängen. Die Potentialdifferenz zwischen diesem Pol und dem jeweils anderen verschwindet dadurch nicht. Bei unbelasteten Batterien wird sie z.B. durch die jeweiligen Elektrodenpotentiale vorgegeben.
Romathemantiker



Anmeldungsdatum: 02.12.2022
Beiträge: 4

Beitrag Romathemantiker Verfasst am: 05. Dez 2022 15:18    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Im einfachsten Fall durch Multiplikation: 0,16 Quadrillionen Dipole pro cm² mal 2,3 Quadrillionstel Newton pro Dipol ergeben 0,37 Newton pro cm².

Was für Zahlenwerte liegen dieser Rechnung zugrunde? 1 Newton pro Quadrillion Dipole auf (wie viel?) Zentimeter ?

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Davon abgesehen, dass eine Spannungsquelle nicht unbedingt eine Batterie sein muss, führt ein Ladugsausgleich zwischen zwei Spannungsquellen lediglich dazu, dass sie mit jeweils einem Pol am gleichen Potential hängen. Die Potentialdifferenz zwischen diesem Pol und dem jeweils anderen verschwindet dadurch nicht. Bei unbelasteten Batterien wird sie z.B. durch die jeweiligen Elektrodenpotentiale vorgegeben.

Okay, das klingt plausibel. Magst du mir dann doch nochmal erklären, wie eine Spannungsquelle funktioniert; im Sinne von: Wie kann ich mir statt Potenzial eine "Kraft pro Elektron", also mit E-Feld, vorstellen ? Irgendwie leuchtet mir nicht ein, warum das Potenzial das selbe bleibt, wenn sich zwischen zwei Batterien die Ladungen ausgleichen, denn Potenzial muss ja immer auf irgendwas bezogen sein, und wenn ich irgendwo ein Ladungsungleichgewicht auf ein Ladungsgleichgewicht beziehe, verändere ich dadurch ja eigentlich nicht mein Potenzial (im Vergleich zur Situation ohne zweite/dritte/... Batterie).
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 4430

Beitrag DrStupid Verfasst am: 05. Dez 2022 17:56    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Was für Zahlenwerte liegen dieser Rechnung zugrunde? 1 Newton pro Quadrillion Dipole auf (wie viel?) Zentimeter ?


Für die Kraft pro Dipol habe ich einfach Deinen Wert genommen. Ob der korrekt ist, habe ich nicht kontrolliert. Die Anzahl der Dipole ergibt sich aus Molmasse und Dichte. Dabei habe ich nur berücksichtigt, was bis 1 cm tief in der Wand liegt. Wegen der 1/r³-Abhängigkeit geht die Kraft danach schnell gegen Null.

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Magst du mir dann doch nochmal erklären, wie eine Spannungsquelle funktioniert; im Sinne von: Wie kann ich mir statt Potenzial eine "Kraft pro Elektron", also mit E-Feld, vorstellen ?


Weil man Spannungsquellen auf sehr unterschiedliche Weise realisieren kann, lässt sich das nicht pauschal beantworten. Ganz allgemein ist eine Spannungsquelle lediglich ein Gerät, das eine Potentialdifferenz erzeugt - egal wie. Deshalb ist auch klar, dass sich die Potentiale in einer Reihenschaltung addieren.

Wie Spannungsquellen es konkret schaffen, ihre jeweilige Spannung zumindest näherungsweise konstant zu halten, hängt von ihrer Konstruktion ab. Bei Batterien wird das durch die darin ablaufenden chemischen Prozesse gewährleistet. Beispielsweise wollen die Zink-Ionen in einer Voltaschen Säule aus der Elektrode raus und in die Lösung rein, wodurch die Zink-Elektrode negativ aufgeladen wird, während die Kupfer-Ionen aus der Lösung raus und in die Elektrode rein wollen, wodurch die sich Kupfer-Elektrode positiv auflädt. Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden, die im Gleichgewicht spezifisch für diese Kombination von Redox-Paaren ist und nur von der Temperatur abhängt. Weil in allen Zellen der Säule der gleiche Prozess abläuft, haben sie auch alle die gleiche Leerlaufspannung.

Da ich nicht genau weiß, wo Dein Verständnisproblem liegt, rate ich einfach mal: Wenn man die Zink-Elektrode einer Zelle mit der Kupfer-Elektrode einer anderen verbindet, dann können die überschüssigen Elektronen aus der Zink-Elektrode einer Zelle in die Kupfer-Elektrode der anderen fließen. Möglicherweise gehst Du davon aus, dass die miteinander verbundenen Elektroden sich quasi kurz schließen und dann keine Rolle mehr spielen. Das ist aber nicht der Fall. Das Abfließen der Elektronen aus der Zink-Elektrode ermöglicht es in dieser Zelle zusätzlichen Zink-Ionen in Lösung zu gehen. Dadurch lädt sich hier der Elektrolyt positiv auf. In der anderen Zelle ermöglichen die in die Kupfer-Elektrode hinein fließenden Elektronen zusätzlichen Kupfer-Ionen die Lösung zu verlassen, worauf diese sich negativ auflädt. Diese Polarisation wirkt dem Elektronenfluss zwischen den Zellen entgegen, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. In diesem Gleichgewicht ist die Gesamtspannung beider Zellen so groß wie die Summe der Spannungen der einzelnen Zellen.
Romathemantiker



Anmeldungsdatum: 02.12.2022
Beiträge: 4

Beitrag Romathemantiker Verfasst am: 06. Dez 2022 01:48    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Was für Zahlenwerte liegen dieser Rechnung zugrunde? 1 Newton pro Quadrillion Dipole auf (wie viel?) Zentimeter ?

Für die Kraft pro Dipol habe ich einfach Deinen Wert genommen. Ob der korrekt ist, habe ich nicht kontrolliert. Die Anzahl der Dipole ergibt sich aus Molmasse und Dichte. Dabei habe ich nur berücksichtigt, was bis 1 cm tief in der Wand liegt. Wegen der 1/r³-Abhängigkeit geht die Kraft danach schnell gegen Null.

Ah, okay, das ist allerdings nur das Verhältnis des Elektrons zum Atomkern, und auch nur unter der Annahme, dass man 1 Elektron und 1 Proton hat.


DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Möglicherweise gehst Du davon aus, dass die Elektroden sich einfach kurz schließen und dann keine Rolle mehr spielen. Das ist aber nicht der Fall. Das Abfließen der Elektronen aus der Zink-Elektrode ermöglicht es in dieser Zelle zusätzlichen Zink-Ionen in Lösung zu gehen. Dadurch lädt sich hier der Elektrolyt positiv auf. In der anderen Zelle ermöglichen die in die Kupfer-Elektrode hinein fließenden Elektronen zusätzlichen Kupfer-Ionen die Lösung zu verlassen, worauf diese sich negativ auflädt. Diese Polarisation wirkt dem Elektrodenfluss zwischen den Zellen entgegen, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. In diesem Gleichgewicht ist die Gesamtspannung beider Zellen so groß wie die Summe der Spannungen der einzelnen Zellen.

Ah, vielen Dank, das hat mir sehr geholfen!!!
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 4430

Beitrag DrStupid Verfasst am: 06. Dez 2022 09:39    Titel: Re: Warum klebt ein geriebener Luftballon an der Wand? Antworten mit Zitat

Romathemantiker hat Folgendes geschrieben:
Ah, okay, das ist allerdings nur das Verhältnis des Elektrons zum Atomkern, und auch nur unter der Annahme, dass man 1 Elektron und 1 Proton hat.


Das ist eine sehr unrealistische Annahme. Erstens bestehen Wände nicht aus atomarem Wasserstoff und zweitens wird der nicht so stark polarisiert, dass das Proton auf der einen und das Elektron auf der anderen Seite stehen bleibt. Die Aufenthaltswahrscheinichkeit des Elektrons wird sich im elektrischen Feld auf einer Seite nur etwas verringern und auf der anderen etwas vergrößern. Darüber hinaus nimmt die Kraft zwischen einem Elektron und einem induzierten Dipol sogar mit der vierten Potenz des Abstandes ab.

In einer Wand gibt es bereits fertige Dipole. Bei Kalk bestehen sie z.B. aus Calcium-Ionen und Carbonat-Ionen. Die sitzen normalerweise so auf ihren Gitterplätzen, dass es insgesamt keine Polarität gibt. Ein elektrisches Feld kann sie aber etwas aus ihren Gitterplätzen heraus ziehen. Dadurch drehen sich die Dipole in Richtung des Feldes und es gibt eine resultierende Kraft. Das zu berechnen ist allerdings nicht so einfach.

Du solltes übrigens die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass auch die Wand elektrisch geladen ist. Gerade wenn die Kraft über größere Entfernungen wirkt, ist die Anziehung zwischen zwei elektrischen Ladungen viel wahrscheinilcher als zwischen einer Ladung und Dipolen.
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