Messung der elektrischen Feldkonstante (ε0)


Zu den Aufgaben der Physik gehört auch die exakte Bestimmung von Naturkonstanten, z.B. einfach für praktische Zwecke. Aber auch moderne Theorien werden oft danach beurteilt, wie gut sie z.B. die Eigenschaften von Elementarteilchen vorhersagen können. Die hier untersuchte elektrischen Feldkonstante ε0 spielt nicht nur in allen Teilen der Elektrostatik eine Rolle: der schottische Physiker J.C.Maxwell hat sie um 1860 auch mit der Lichtgeschwindigkeit in Verbindung gebracht. Ein weiteres Ergebnis der Messungen ist die Herleitung der Kapazitätsformel für den Plattenkondensator C=ε0⋅A/d mit Plattenfläche A und Plattenabstand d.
Aufbaukondensator
Man benutzt zur Messung einen Aufbau-Plattenkondensator. Zwischen die runden Platten werden farbige Kunststoffplättchen als Abstandshalter gegeben (2 bis 4mm je nach Farbe). Die Feldrichtung ist vertikal. Die untere Platte wird extern oder über die Erdbuchse eines Versorgungsgeräts geerdet. Außerdem wird die untere Platte jeweils mit den Eingängen Masse oder Erde eines Gleichstrommessverstärkers, eines Spannungsmessers (bis 250V) und eines Gleichstromnetzgerätes bis 250V (NEVA) verbunden. Den Ausgang des Messverstärkers verbindet man mit einem Anzeigegerät wie auf dem Gehäuse angegeben. Den Eingang schließt man über ein abgeschirmtes Kabel BNC/4mm an einen Isolierstiel an. Mit diesem wird Ladung vom Kondensator abgegriffen.
Der Pluspol des 250V-Versorgungsgeräts wird ebenfalls mit einem Isolierstiel verbunden. Damit berührt man zum Aufladen die obere Platte des Kondensators. Zunächst einmal erhöht man die Spannung in 50V-Schritten und misst jeweils die aufgebrachte Ladung. Man erkennt die Proportionalität zwischen Spannung und Ladung. Damit kann man den Begriff "Kapazität" als Proportionalitätskonstante einführen.
Anschließend tauscht man die Platten aus. Es gibt drei verschiedene Sätze von Platten mit den Flächenverhältnissen 4:2:1. Es genügt die Messung der Ladung bei einer Spannung. Das Ergebnis dieser Messungen ist die Proportionalität der Ladung zur Plattenfläche. Danach misst man für ein Plattenpaar und eine Spannung die Ladung für verschiedene Abstände. Man erhält die umgekehrte Proportionalität zum Plattenabstand und somit die Kapazitätsformel des Plattenkondensators.
Über den Begriff "Flächenladungsdichte" lässt sich schließlich noch die elektrische Feldkonstante ε0 selbst berechnen.

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