Elektrische Ladung

Kein Buch und keine Internetseite, die sich mit der Elektrotechnik beschäftigt, kommt nicht umhin mindestens ein Kapitel voranzustellen mit dem Titel Grundlagen der Elektrotechnik, wenn nicht sogar ganze Buchreihen den Titel tragen. Ein Thema worauf alle weiteren elektrotechnischen Erklärungsmodelle fußen und aufbauen ist die Elektrische Ladung.

Erscheinungsbild

Der Begriff elektrische Ladung wird im alltäglichen Gebrauch oft ganz gewöhnlich benutzt, wenn man z.B. sagt "man sei elektrisch aufgeladen", weil man es knistern hört, sich Körperhaare aufstellen oder es zwischen zwei Menschen "funkt". Diese Effekte kann man hervorrufen indem man sich an einem Isolierstoff reibt. Weitere offensichtliche natürliche Erscheinungsformen von elektrischer Ladung sind z.B. der Blitz bei einem Gewitter.

Historische Einordnung

Und um noch kurz historisch zu werden: erste Erkenntnisse zur elektrischen Ladungen werden den Griechen zugeschrieben. Die ersten Funde von Bernstein, auch Brennstein genannt, welche hauptsächlich an der Ostsee vorkommen, gelangten auf bestimmten Wegen in die Hände der Griechen. Vermutlich gab es einen Handel mit dem Bernstein, da sich dieser sehr gut als Schmuck oder zu Alltagsgegenständen verarbeiten lässt. Dabei beobachteten die Griechen eine "magische" Eigenschaft des Bernstein. Rieb man den Stein an ein Stück Stoff so entwickelter dieser kleine Kräfte, welche andere kleine Partikel wie Flaumfedern oder Staubpartikel anzog. Die Griechen nannten den Bernstein deshalb elektron.

Bei all diesen Erscheinungsformen beobachten man immer das Wirken von elektrsicher Ladung(en): Entweder handelt es sich um einen Ladungsausgleich oder um die Kraftwirkung zwischen zwei (unterschiedlichen) Ladungen.

Erklärungsmodell

Um die elektrische Ladung im Elementaren zu erklären verwendet man im einfachsten Fall das Bohr'sche Atommodell.

Bild Bohr'sches Atommodell

Dieses besteht aus einem Atomkern, welche aus Protonen und Neutronen besteht. Dieser Atomkern wird ähnlich dem Planetenmodell von einem oder mehreren Elektronen umkreist. Anzahl der Protonen und Elektronen ist abhängig vom jeweiligen Element (siehe Periodensystem der Elemente). In Wirklichkeit gibt es noch viel kompliziertere Modelle: Die Elektronen umkreisen nicht einfach den Atomkern sondern werden durch Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben. Und das Proton ist auch nicht so elementar, wie man meint, sondern setzt sich aus aus verschiedenen Quarks zusammen, die jeweils eine bestimmte Drittelladung tragen.

Das Proton und das Elektron tragen dabei die Elementarladung. Diese Ladung ist in dem Sinne als elementar zu verstehen, dass diese nicht weiter teilbar ist bzw. keine kleineren Ladungseinheiten möglich sind (vom Quarksmodell mal abgesehen). Das Neutron ist elektrisch neutral, weist also keine elektrische Ladung auf.

Dem Elektron wird eine negative und dem Proton eine positive Elementarladung zugeordnet. Die Elementarladung ist eine Naturkonstante und wird in der Einheit Coulomb [C] angegeben, welche nach dem französichen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) benannt ist.

e1,602·10-19C

e--1,602·10-19C...(Elektron)e++1,602·10-19C...(Proton)

Das Einheit Coulom entspricht in SI-Einheiten der Amperesekunde

C=As

Die Amperesekunde lässt sich auch auf Amperestunden umrechnen:

3600As=1Ah

Und die Amperestunde dürfte den meisten schon einmal untergekommen sein. Denn damit wird auch die Ladung einer Batterie beschrieben.

Das Formelzeichen für die Ladung ist Q. Rechnet man im Bereich der Elementarteilchen mit kleinen Ladungsmengen, wird auch einfach nur das e mit einem Faktor verwendet, wie z.B.

Q=-2eQ=1e

Das e steht hierbei für die Elementarladung, die oben bereits schon definiert ist.

Alle elektrischen Phänomene lassen sich nun damit erklären, dass zwischen unterschiedlichen Ladungen eine Kraftwirkung besteht getreu nach dem Motto Gegensätze ziehen sich an. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Dabei handelt es sich um die Coulombkraft, die mit dem Coulombschen Gesetz beschrieben und berechnet werden kann. Die Ähnlichkeit mit dem Gravitationsgesetz ist unverkennbar. Jedoch wirkt die Coulombkraft wesentlich stärker.

F=14πε0Q1Q2r2ε0...elektrische Feldkonstante (8,8542·10-12CVm)r...Radius, Abstand zwischen der LadungQ...Ladung

Darstellung von 2 Ladungsträger mit entgegengesetzter Ladung mit dem Abstand r und den Kraftvektoren

Darstellung von 2 Ladungsträger mit gleicher Ladung mit dem Abstand r und den Kraftvektoren

Die Verteilung der Coulombschen Kraft im Raum einer Punktladung oder eines Dipols wird über das Elektrische Feld beschrieben.

Darstellung einer positiven und negativen Punktladung mit Feldlinien

Feldlinien-Darstellung eines Dipols mit zwei unterschiedlichen Ladungen

Sind in einem Atom die Anzahl der negativen und positiven Elementarladungen gleich, so erscheint das Atom noch außen hin als elektrisch neutral. Ist deren Anzahl ungleich so handelt es sich um ein Ion. Das Atom oder Molekül hat also nach außen hin eine elektrische Ladung.

Eine Anhäufung vieler Elementarladungsträger, wie Elektronen und Protonen oder aber auch Ionen bezeichnet man dann allgemein als Ladung.

Bewegen sich elektrische Ladungen, z.B. die negativ geladenen freien Elektronen in einem Kupferleiter, so spricht man von einem elektrischen Strom. Und strömt eine bestimmte Ladungsmenge pro Zeit, so entspricht dies der Stromstärke I. Oder umgekehrt definiert: wenn man die Stromstärke I mit der Zeit multipliziert erhält man die "geflossene" Ladungsmenge.

Q=I·t

Allen elektrischen Phänomenen ist also gemeinsam, dass es eine Kraftwirkung zwischen Ladungen gibt. Bei unterschiedlichen Ladungen kann es zum Ladungsausgleich kommen. Es bewegen sich also Ladungsträger und es fließt ein elektrischer Strom.

Weitere Phänomene lassen sich dann dadurch beschreiben und erklären, dass sich elektrische Ladungsträger in einem elektrischen und/oder magnetischem Feld bewegen.

[Datum: 16.04.2018]