In dieser Sendung wird mit der "elektrischen Spannung" einer der schwierigsten Begriffe der Elektrik eingeführt. Das mag Sie verwundern, weil Sie es schon gewöhnt sind, verschiedene Elektrizitätsquellen mit einer "Voltzahl" zu charakterisieren. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Zwei große Metallplatten sind an den Plus- und den Minuspol einer
Hochspannungsquelle angeschlossen. Dazwischen pendelt ein Tischtennisball
mit leitfähigem Überzug hin und her. Ist der Ball negativ geladen, dann wird er
von der negativen Platte abgestoßen und von der positiven Platte angezogen.
Trifft er dort auf, dann gibt er seine negative Ladung ab, nimmt positive Ladung
auf und macht sich dann auf den Rückweg. Ist dies eine Maschine, die ohne
Energiezufuhr arbeiten kann - ein perpetuum
mobile? Die elektrische Kraft im homogenen Feld eines Plattenkondensators
ist konstant. Deshalb kann in Analogie zur Hubarbeit der Mechanik eine
elektrische Arbeit eingeführt werden: W = Fel 
s. Der Weg
wird entlang einer Feldlinie gemessen, Verschiebungen parallel zu den Platten
liefern keine Beiträge zur elektrischen Arbeit. Mit der Arbeit wird auch eine elektrische
Energie definiert, beide mit der Einheit Joule. Für das Laden und Entladen
eines Plattenkondensators stimmt die Energiebilanz.
Deshalb handelt sich bei diesem Experiment um kein perpetuum mobile. Dies wird
auch experimentell gezeigt. Wenn der Plattenkondensator nach dem Aufladen von
der Hochspannung getrennt wird, dann entlädt die pendelnde Kugel die Platten
sehr schnell und die Bewegung kommt zum Stillstand.
Der Versuch mit dem Plattenkondensator
wird nun so erweitert, dass alle bisher bekannten elektrischen Größen bestimmt
werden können: Es wird die Feldstärke gemessen, ferner die Kraft auf eine
bekannte Probeladung im Feld und wir haben eine Anzeige für die Spannung an der
Elektrizitätsquelle. Die Auswertung
ergibt zunächst, dass die gemessene Feldstärke am Rand mit dem Quotienten aus
Kraft und Ladung der Probeladung in der Mitte übereinstimmt. Als nächstes wird
nun die Energiedifferenz 
E berechnet. Beachten Sie die
doppelte Bedeutung von "E" - leider birgt diese doppelte Benutzung des
Formelbuchstaben E für die Feldstärke und die Energie
Verwechslungsgefahren! Teilt man also nun die Energiedifferenz durch die
Probeladung, dann erhält man den Zahlenwert der Spannung. Das genau ist die Definition
der Spannung: eine Spannung ist eine Energie dividiert durch die Ladung des
Probekörpers. Zu Ehren des Erfinders der ersten leistungsfähigen Akkumulatoren
wird die Einheit der Spannung nach Alessandro
Volta benannt. Als Zusammenhang
zwischen der Feldstärke und der Spannung ergibt sich bei einem
Plattenkondensator, dass die Teilspannung längs der Strecke d einer
Feldlinie gleich dem Produkt aus d und der Feldstärke E ist.
Zur Messung von Spannungen werden je nach Bedarf verschiedene Gerätetypen
eingesetzt. Bei modernen digitalen Voltmetern wandelt ein integrierter Baustein
eine Spannung direkt in einen Zahlenwert. Bei den früher üblichen, analogen
Messgeräten mit einem Zeiger, muss der Wert auf einer Skala abgelesen werden.
Sogenannte statische Voltmeter sind Spezialgeräte, die für die Messung von
konstanter Hochspannung verwendet werden. Es ist wichtig, dass Sie sich merken,
dass eine Spannung immer zwischen zwei Punkten eines Stromkreises oder eines
Feldes gemessen wird. Für einen Messpunkt im Feld zwischen den
Kondensatorplatten ist zusätzlich eine Flammensonde
erforderlich. Diese sorgt für eine ausgeglichene Anzahl von positiven und
negativen Ladungen und damit einem ungestörten Feld. Die Messergebnisse
passen gut zu den theoretischen Überlegungen: Die Ladungsverschiebung von einer
Platte bis zur Mitte des Feldes ist die Hälfte der gesamten Arbeit von Platte zu
Platte, entsprechend ist die Teilspannung die Hälfte der Gesamtspannung.
Eine sogenannte Elektronenkanone
ist das entscheidende Bauteil in jeder Fernsehröhre. Mit einem Glühdraht
(Glühkathode) werden im Innern einer evakuierten Röhre freie Elektronen erzeugt.
Diese werden anschließend zu einer positiven Anode beschleunigt und gelangen
dann durch ein Loch zur Leuchtschicht an der Vorderseite der Fernsehröhre, wo
ihr Auftreffen Leuchtpunkte anregt. Man kann die Geschwindigkeit der Elektronen
aus der angelegten Spannung berechnen: Das Produkt aus Spannung und Ladung ist
die elektrische Energie in Elektronenvolt, die die Elektronen nach dem
Durchlaufen aufgenommen haben. Zur waagrechten und senkrechten Ablenkung des
Elektronenstrahls können Plattenpaare
verwendet werden, an die jeweils eine veränderliche Hochspannung angelegt wird.
So funktionieren elektrische Messgeräte für Spannungssignale, sogenannte
Oszilloskope. Bei Fernsehern werden dagegen Spulen zur Ablenkung des
Elektronenstrahls verwendet; dies wird in einer späteren Sendung erläutert.
Der amerikanische Physiker Robert A. Millikan bekam für eine glänzende Idee
den Nobelpreis: Er baute eine Anordnung
mit einem kleinen Plattenkondensator mit waagrecht angeordneten Platten. Dazu
gehören ferner eine seitliche Beleuchtung und ein Beobachtungsmikroskop. Damit
beobachtete er kleinste geladene Öltröpfchen,
die er je nach Wahl der angelegten Spannung steigen, sinken oder schweben lassen
konnte. Die Öltröpfchen bringt man folgendermaßen zwischen die Platten: In einen
Kunststoffzylinder,
der sich überhalb des Plattenkondensators befindet, wird mit einer
Pustevorrichtung ein feinst verteilter Ölnebel eingesprüht. Einige der Tröpfchen
nehmen durch die Reibung einige Ladungen auf. Viele Ölkügelchen werden durch ein
Loch in der oberen Platte in das Kondensatorfeld gesaugt. Die geladenen
Ölkügelchen erkennt man dadurch, dass sie auf die Spannung reagieren. Für das
Steigen, Sinken oder Schweben kann man Gleichungen aufstellen und dann aus
Messwerten die Ladung errechnen. Nach dem Auswerten von vielen beobachteten
Öltröpfchen zeigt ein Diagramm,
dass die Öltröpfchen unabhängig von ihrer Größe, nur ganzzahlige Vielfache der
Elementarladung tragen können. Nie wurde eine Ladung kleiner als e
beobachtet!