Was ist elektrische Ladung? Definition, Coulombsches Gesetz & Beispiele
Elektrische Ladung einfach erklärt: Definition, Coulombsches Gesetz, praktische Beispiele und Alltagserklärungen – verständlich, anschaulich und kompakt.
Elektrische Ladung ist eine fundamentale Eigenschaft von Elektronen, Protonen und anderen subatomaren Teilchen. Elektronen tragen eine negative, Protonen eine positive Ladung. Teilchen mit entgegengesetzter Ladung ziehen einander an, gleich geladene Teilchen stoßen einander ab — dieses Verhalten fasst man als Gesetz der Ladungen zusammen. Es bildet die Grundlage dafür, dass Elektronen und Protonen aneinander haften und so Atome entstehen. Die Stärke und Richtung der Wechselwirkung zwischen zwei punktförmigen Ladungen wird durch das Coulombsches Gesetz beschrieben.
Coulombsches Gesetz (Formel und Bedeutung)
Das Coulombsche Gesetz gibt an, wie groß die Kraft F zwischen zwei Punktladungen q1 und q2 in einem Abstand r ist:
F = k · q1 · q2 / r²
Hierbei ist k die Coulomb-Konstante (k ≈ 8,988·109 N·m²/C²) oder alternativ k = 1/(4·π·ε0) mit der elektrischen Feldkonstanten ε0 ≈ 8,854·10−12 F/m. Das Vorzeichen der Kraft zeigt an, ob die Teilchen anziehen (entgegengesetzte Vorzeichen der Ladungen) oder abstoßen (gleiches Vorzeichen).
Das Gesetz gilt am genauesten für Punktladungen oder wenn die Ladungsverteilung so aussieht, als käme sie von einem Punkt (beispielsweise bei sehr kleinen geladenen Kugeln mit großem Abstand).
Einheit, Quantisierung und Erhaltung der Ladung
Die SI-Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C). Die Ladung ist auf atomarer Ebene gequantelt: die kleinste frei vorkommende Ladungsmenge ist die Elementarladung e ≈ 1,602·10−19 C, die ein Proton positiv bzw. ein Elektron negativ trägt. Makroskopische Ladungen bestehen also aus vielen vervielfachten Elementarladungen.
Die elektrische Ladung ist eine erhaltene Größe: in einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtladung konstant. Das heißt, Ladung kann von einem Körper auf einen anderen übertragen, aber nicht aus dem Nichts erzeugt oder vernichtet werden.
Elektrisches Feld, Spannung und Strom
Eine geladene Körper erzeugt in seiner Umgebung ein elektrisches Feld. Das elektrische Feld E ist definiert als Kraft pro Probeladung: E = F/q. Die Spannung (elektrisches Potential) zwischen zwei Punkten gibt an, welche Arbeit pro Ladungsmenge verrichtet werden muss, um eine Ladung zwischen den Punkten zu bewegen. Die Alltagsspannung nennt man oft Volt (1 V = 1 J/C).
Wenn sich Elektronen von einem Ort mit Überschuss zu einem Ort mit Mangel bewegen, spricht man von elektrischem Strom. Die Stromstärke, also die Menge an Ladung, die pro Zeit durch einen Querschnitt fließt, wird in Ampere (A) gemessen. Im Text wird die Stromstärke auch als Stromstärke bezeichnet.
Leitende und nichtleitende Materialien, Erdung
In Leitern (z. B. Metallen) können sich Elektronen relativ frei bewegen; in Isolatoren (z. B. Glas, Kunststoff) sind sie an Atome gebunden. Erdung (Verbinden mit der Erde) ermöglicht es überschüssige Ladung sicher abzuführen, weil die Erde große Mengen Ladung aufnehmen oder abgeben kann.
Typische Beispiele und Alltagserfahrungen
- Rubbing: Wenn man einen Luftballon mit einem Wolltuch reibt, überträgt das Tuch Elektronen auf den Ballon; der Ballon lädt sich negativ auf und kann an einer Wand haften.
- Statische Entladung: Wenn eine Person mit den Füßen über einen Teppich schlurft und dann einen Türknauf berührt, kann ein kurzer elektrischer Schlag auftreten. Wenn genügend zusätzliche Elektronen vorhanden sind, stoßen sie sich so stark ab, dass sie über eine kleine Lücke zum Türknauf springen. Die Funkensprunghöhe ist ein Maß für die Spannung, die Stromstärke während dieses kurzen Ereignisses bestimmt, wie viel Ladung tatsächlich fließt.
- Haare: Eine positive oder negative Aufladung eines Kopfes kann dazu führen, dass sich einzelne Haare wegen gegenseitiger Abstoßung aufrichten.
- Blitz: Wolken können sich stark aufladen und sehr hohe Spannungen aufbauen. Bei einem Blitz kann die fließende Stromstärke extrem groß sein; wenn ein Blitz durch einen Menschen geht, kann er schwere Verbrennungen oder den Tod verursachen. Solche Ereignisse unterscheiden sich von kleinen statischen Entladungen vor allem durch die deutlich höhere Ladungsmenge und die längere Wirkzeit.
Zusammenhang von Spannung, Strom und Gefährdung
Die bei einem kleinen statischen Schock gemessene Spannung kann hoch sein (häufig 25.000–30.000 Volt), aber die tatsächlich übertragene Ladung und die Flussdauer sind sehr gering, sodass meist kein körperlicher Schaden entsteht. Bei Gewitter hingegen sind sowohl Spannung als auch übertragene Ladungsmenge und Stromstärke so groß, dass die Wirkung gefährlich bis tödlich sein kann. Die Stärke eines elektrischen Schlages hängt nicht nur von der Spannung, sondern vor allem von der Stromstärke und der Einwirkdauer ab (elektrischer Schlag).
Praktische Anwendungen
- Kondensatoren speichern Ladung und werden in Schaltungen zur Energiespeicherung oder zur Filterung von Signalen verwendet.
- Elektrostatik wird in der Industrie gezielt eingesetzt, z. B. beim Lackieren, beim Kopierverfahren (fotokopieren) und bei elektrostatischen Filtern.
- In der Elektronik werden Ladungen kontrolliert bewegt, um Signale zu verarbeiten und Leistung zu übertragen.
Wichtige Begriffe kurz zusammengefasst
- Ladung (Q): physikalische Größe, Einheit Coulomb (C).
- Coulombsches Gesetz: beschreibt die Kraft zwischen zwei Punktladungen (F ∝ q1·q2 / r²).
- Elektrisches Feld (E): Kraft pro Probeladung (E = F/q).
- Spannung (V): Arbeit pro Ladungsmenge (V = W/q).
- Stromstärke (I): Ladung pro Zeit, Einheit Ampere (A); im Text als Stromstärke erwähnt.
Diese Konzepte — Ladung, Feld, Spannung und Strom — bilden zusammen die Grundlage der Elektrostatik und der Elektrodynamik und erklären sowohl alltägliche Phänomene (statische Schläge, Haare, klebende Luftballons) als auch mächtige Naturereignisse wie Blitz und wichtige technische Anwendungen.
Historisches Experiment
Das folgende Experiment wird von James Clerk Maxwell in seinem Werk A Treatise on Electricity and Magnetism (1873) beschrieben. Normalerweise sind Glas und Harz beide neutral geladen. Wenn sie jedoch aneinander gerieben und dann getrennt werden, können sie sich gegenseitig anziehen.
Wenn ein zweites Stück Glas mit einem zweiten Stück Harz abgerieben wird, werden folgende Dinge sichtbar:
- Die beiden Glasstücke stoßen sich gegenseitig ab.
- Jedes Stück Glas zieht jedes Stück Harz an.
- Die beiden Harzstücke stoßen sich gegenseitig ab.
Wenn ein geladenes und ein ungeladenes Objekt zusammengebracht werden, wird die Anziehungskraft sehr schwach sein.
Körper, die in der Lage sind, Dinge auf diese Weise anzuziehen oder abzustoßen, werden als "elektrifiziert" oder "elektrisch geladen" bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Substanzen aneinander gerieben werden, entsteht eine elektrische Ladung, weil eine von ihnen der anderen Elektronen gibt. Der Grund dafür ist, dass die Atome in den beiden Substanzen eine ungleiche Anziehungskraft für Elektronen haben. Daher wird dasjenige, das mehr Elektronen anziehen kann, demjenigen, das eine geringere Anziehungskraft hat, Elektronen entziehen. Wenn Glas gegen etwas anderes gerieben wird, kann es entweder Elektronen abgeben oder aufnehmen. Was passiert, hängt davon ab, was die andere Sache ist.
Dinge, die Elektronen aufgenommen haben, werden als "negativ geladen" bezeichnet, und Dinge, die Elektronen abgegeben haben, werden als "positiv geladen" bezeichnet. Für diese Bezeichnungen gibt es keinen besonderen Grund. Es ist einfach eine willkürliche (zufällige Auswahl) Konvention (Vereinbarung).
Neben der Elektrifizierung durch Reibung können Körper auch auf viele andere Arten elektrifiziert werden.
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Fragen und Antworten
F: Was ist elektrische Ladung?
A: Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft von Elektronen, Protonen und anderen subatomaren Teilchen. Elektronen sind negativ geladen, während Protonen positiv geladen sind. Dinge, die die gleiche Ladung haben, stoßen sich gegenseitig ab (sie stoßen sich ab).
F: Wer hat das Gesetz der Ladungen entdeckt?
A: Das Ladungsgesetz wurde von Charles-Augustin de Coulomb entdeckt.
F: Was beschreibt das Coulombsche Gesetz?
A: Das Coulombsche Gesetz beschreibt, wie stark Ladungen aneinander ziehen und aufeinander drücken.
F: Wie unterscheiden sich neutrale Objekte von Objekten mit positiven oder negativen Ladungen?
A: Objekte, die eine gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen haben, sind neutral, während Dinge, die mehr Elektronen als Protonen haben, negativ geladen sind, und Dinge, die weniger Elektronen als Protonen haben, positiv geladen sind.
F: Was passiert, wenn zwei Objekte mit unterschiedlichen Ladungen miteinander in Kontakt kommen?
A: Wenn zwei Objekte mit unterschiedlichen Ladungen in Kontakt kommen, ziehen sie sich gegenseitig an - wenn möglich, wird das Objekt mit zu vielen Elektronen genügend Elektronen abgeben, um die Anzahl der Protonen des Objekts mit zu vielen Protonen für seine Ladung an Elektronen auszugleichen. Wenn es gerade genug Elektronen gibt, um die zusätzlichen Protonen auszugleichen, dann ziehen sich die beiden Dinge nicht mehr an.
F: Wie entsteht ein elektrischer Strom?
A: Wenn sich Elektronen von einem Ort, an dem es zu viele gibt, zu einem Ort bewegen, an dem es zu wenige gibt, spricht man von einem elektrischen Strom.
F: Warum können Elektroschocks in manchen Fällen gefährlich sein, in anderen aber nicht?
A: Der Stromschlag, den man spürt, wenn man von einer Türklinke oder einem anderen Gegenstand einen Schlag bekommt, hat normalerweise eine Spannung von 25.000 bis 30.000 Volt; da der Strom jedoch nur kurz fließt, verursacht er keine körperlichen Schäden. Andererseits haben Wolken, wenn sie sich elektrisch aufladen, eine noch höhere Spannung und die Stromstärke (die Anzahl der Elektronen, die bei einem Blitzeinschlag fließen) kann sehr hoch sein - das bedeutet, dass diese Hochspannungs-/Hochstrom-Elektronen, wenn sie durch einen Menschen hindurchgehen, diesen verbrennen oder töten können.
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