Elektrizität und Ladung

Die physikalische Größe der elektrischen Ladung gibt den Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel an. Sie ist stets ein Vielfaches der Elementarladung \(e\).

\(Q=N\cdot e \,\) mit \(e = \pm 1,602176634\cdot10^{-19}C\) und einer natürlichen Zahl N

Für den elektrischen Strom \(I\) gilt der Zusammenhang

$$Q=I\cdot t,$$

wobei \(t\) die Zeit ist.

Ladungsarten

Zum Verständnis von elektrischen Erscheinungen ist die Kenntnis über eine grundlegende physikalische Größe nötig: die elektrische Ladung. Denn alle elektrischen Beobachtungen beruhen auf der Bewegung positiver und negativer Ladungen. Die Ladung ist eine Eigenschaft von Teilchen (z. B. Elektronen, Atome, Moleküle , Ionen…).

• Man unterscheidet zwischen geladenen und ungeladenen Teilchen.
• Weiterhin werden geladene Teilchen in positiv und negativ geladene Teilchen unterschieden.

Kraftwirkung zwischen geladenen körpern

Zwischen geladenen Teilchen besteht eine elektromagnetische Wechselwirkung. Das bedeutet, sie üben wechselseitig eine Kraft aufeinander aus. Diese Kraft bezeichnet man als die Coulombkraft.

Abb. 1: Ungleichnamige Ladungen

Abb. 2: Zwei positive Ladungen

Abb. 3: Zwei negative Ladungen

Elementarladung

Jede elektrische Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung.

• Ein Elektron: \(-e\approx -1,6022\cdot10^{-19}C\)
• Ein Proton: \(+e\approx +1,6022\cdot10^{-19}C\)

Bei negativ bzw. positiv geladenen Körpern handelt es sich um einen Elektronenüberschuss bzw. -mangel. Die Menge des Überschusses bzw. des Mangels ist die Ladung des Körpers.

Neutralisation

Hat man zwei entgegengesetzt gleich groß geladene, leitende Körper (z. B. zwei Metall-Kugeln mit der Ladung \(+Q\) und \(-Q\) ) und bringt sie zur Berührung, so heben sich die Ladungen gegenseitig auf und wir erhalten zwei ungeladene Körper.

Die beiden Kugeln haben sich neutralisiert.

Ladungstrennung

Durch Ladungstrennung können wir Gegenstände elektrisch aufladen. Dies geschieht oft durch Reibung oder durch das Trennen zweier Körper.

Bekannte Phänomene und Beispiele sind:

• Reibungs-, bzw. Kontaktelektrizität: Das Reiben eines Plastikstabs an einem Tuch, oder von Bernstein an Wolle.
• Gewitter …

Formeln und Berechnungen

Stromstärke und Ladung

Die Formel für die Ladung verrät bereits, dass ein Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Ladung besteht. Hier ist eine modellhafte Darstellung.

Sei die Stromstärke in einem Stromkreis 1 Ampere.

Wir betrachten eine bestimmte Stelle des Stromkreises.

Dann passieren in einer Sekunde Elektronen von der Gesamtladung \(Q=1C\) diese Stelle.

Es handelt sich um ein Paket von \(6,24\cdot10^{18}\;\) Elektronen.

Abb.6: Ein Paket Elektronen "schematisch"