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Physik · Elektrizitätslehre
Ladung als Elektronenüberschuss oder -mangel, Elementarladung mit Millikan-Versuch, Quantelung, Ladungserhaltung, das Coulomb-Gesetz mit Rechenbeispiel sowie Influenz und Polarisation.
Ladung heißt Elektronenüberschuss oder -mangel. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an, und die Kraft fällt mit dem Quadrat des Abstands.
Ein Atom ist neutral, weil es gleich viele Protonen (+) wie Elektronen (−) hat. Das Neutron trägt keine Ladung. Ein Körper ist geladen, wenn ihm Elektronen fehlen (positiv) oder wenn er zu viele hat (negativ). In Festkörpern wandern nur Elektronen, die Protonen sitzen fest im Kern.
Ladung entsteht nie neu, sie wird getrennt: Beim Reiben gehen Elektronen von einem Körper auf den anderen über. In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller Ladungen konstant (Ladungserhaltung). Die Elektrostatik untersucht ruhende Ladungen, bewegte Ladungen sind der Strom.
Die Ladung Q misst du in Coulomb (C), 1 C = 1 A·s. Die kleinste frei vorkommende Ladung ist die Elementarladung e. Das Elektron trägt −e, das Proton +e. Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches davon (Quantelung).
Q = N · ee = 1,602 · 10⁻¹⁹ C; 1 C entspricht etwa 6,25 · 10¹⁸ Elementarladungen
Quarks tragen −⅓ e oder +⅔ e, kommen aber nie einzeln vor. Die Quantelung gilt für alles, was du frei beobachten kannst.
Im Millikan-Versuch schwebt ein geladenes Öltröpfchen zwischen zwei Kondensatorplatten, wenn die elektrische Kraft sein Gewicht ausgleicht: |q| · E = m · g. Mit E = U/d folgt |q| = m · g · d / U. Alle gemessenen Tröpfchenladungen sind ganze Vielfache derselben kleinsten Ladung e.
Zwischen zwei Punktladungen wirkt die Coulomb-Kraft: abstoßend bei gleichem, anziehend bei ungleichem Vorzeichen. Beide Ladungen erfahren dieselbe Kraft, nur in entgegengesetzter Richtung.
F = k · |q₁ · q₂| / r²k = 1/(4π·ε₀) ≈ 9 · 10⁹ N·m²/C² im Vakuum
Zwei Ladungen von je 1 µC (10⁻⁶ C) sind 1 m voneinander entfernt: F = 9 · 10⁹ · 10⁻⁶ · 10⁻⁶ / 1² N = 0,009 N. Bei 0,5 m ist r² nur ein Viertel, die Kraft wächst auf 0,036 N.
Im Wasserstoffatom ist die Coulomb-Kraft zwischen Elektron und Proton rund 2 · 10³⁹-mal stärker als ihre Gravitation. Wie die Kraft über den Abstand wirkt, beschreibt das Feld. → Ausführlich in: Elektrisches Feld
Der Abstand wird 4-mal kleiner, die Kraft also (4)² = 16-mal größer.
Ein geladener Körper wirkt auch auf Körper, die er nicht berührt. Was passiert, hängt vom Material ab:
| Material | Was im Feld passiert | Name |
|---|---|---|
| Leiter | freie Elektronen verschieben sich | Influenz |
| Isolator | Ladungsschwerpunkte verschieben sich leicht | Polarisation |
Influenz heißt auch elektrostatische Induktion und hat mit der Induktion im Magnetfeld nichts zu tun. Im Isolator bleiben die Ladungen an ihren Atomen, nur die Ladungsschwerpunkte rücken auseinander. Diese Polarisation reicht, damit ein geriebener Kamm neutrale Papierschnipsel anzieht. Ohne Feld verschwindet sie wieder.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeDecke die Beschriftungen auf und erkläre, wie im Millikan-Versuch durch das Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer Feldkraft und Schwerkraft die Elementarladung e bestimmt wird und warum jede freie Ladung quantisiert ist.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
Interaktive Darstellung
Deine AufgabeVerändere den Abstand r sowie die Ladungen q₁ und q₂ und sage voraus, wie sich die Coulomb-Kraft ändert. Prüfe am Diagramm, dass eine Halbierung von r die Kraft vervierfacht.
