3.1.1 Elektrische Ladung

 

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Die elektrische Ladung (!)
Video 213: Elektrische Ladung (C) .

Es existieren zwei Arten von elektrischer Ladung. Man bezeichnet sie als positive bzw. negative elektrische Ladung. Ein Körper mit gleich viel negativer wie positiver Ladung ist nach außen elektrisch neutral. Die elektrische Ladung wird mit Q bezeichnet, ihre Einheit ist das Coulomb:

1C=1As.

Das Coulomb wurde über die lange Zeit gültige SI-Basiseinheit Ampere, die Einheit der Stromstärke, und die Sekunde abgeleitet. Zur Definition des Ampere ( A) später mehr. In einigen Fällen bezeichnet man die Einheit der Ladung auch direkt als Amperesekunde ( As).

Video 214: Aufbau der Materie und Elementarladung (C) .



Materie ist aus Atomen aufgebaut. Die Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen, während in der Atomhülle negativ geladene Elektronen vorhanden sind. Interessanterweise ist die Ladung eines Protons und eines Elektrons vom Betrag her genau gleich. Ein Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen und ist deshalb als Gesamtsystem ungeladen. Daher ist gewöhnliche Materie elektrisch neutral. Atome mit unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Elektronen werden als Ionen bezeichnet.

Den Betrag der elektrischen Ladung von Proton bzw. Elektron nennt man die Elementarladung e. Sie wird/wurde zum 20. Mai 2019 auf den Wert

e=1,602176634· 10-19 C

festgelegt, womit das Coulomb seinerseits den Wert 1C=e/(1,602176634· 10-19 ) erhält. Die Elementarladung ist gleichzeitig die kleinste Ladungseinheit von frei existierenden Teilchen. Ist ein Körper elektrisch negativ geladen, so besitzt er einen Überschuss an Elektronen. Ist er positiv geladen, so hat er einen Elektronenmangel. Der Transport von elektrischer Ladung findet in Festkörpern typischerweise durch Elektronen statt, da die Atomkerne, in denen sich die Protonen befinden, an festen Positionen befinden. Die Bewegung von elektrischen Ladungen nennt man den elektrischen Strom.

Bildet ein Körper ein abgeschlossenes System, können keine elektrischen Ladungen vom Körper entfernt oder dem Körper hinzugefügt werden. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung konstant. Damit haben wir neben Energie- und Impulserhaltung aus der Mechanik einen weiteren Erhaltungssatz kennengelernt, nämlich den der Ladungserhaltung. Allerdings können innerhalb eines abgeschlossenen Systems elektrische Ladungen verschoben werden, zum Beispiel durch Influenz, ohne dass dabei seine Gesamtladung verändert wird.

 

Das coulombsche Gesetz (!)
Video 215: Das coulombsche Gesetz (C) .



Gleichnamig geladene Körper stoßen sich gegenseitig ab ( ++ bzw. --), ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an ( +- bzw. -+). Die Kraftwirkung ist proportional zur Ladungsmenge auf dem ersten Körper Q1 , der Ladungsmenge auf dem zweiten Körper Q2 und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands r zwischen beiden Körpern. Dies wird durch das coulombsche Kraftgesetz beschrieben:

F C = 1 4π ε0 Q1 Q2 r2 .

Die Konstante ε0 heißt Dielektrizitätskonstante des Vakuums und besitzt den Wert

ε0 8,854· 10-12 As Vm .



Exakt gilt das coulombsche Kraftgesetz nur für Punktladungen, also für den Fall, dass die beiden Ladungen jeweils auf einen Punkt konzentriert sind.

In der folgenden animierten Skizze können zwei Ladungen beliebig in der Ebene verschoben werden. Auch die Ladungsmenge und das Ladungsvorzeichen der beiden Ladungen können variiert werden. Die auf die beiden Ladungen wirkenden Kräfte durch die elektrische Anziehung bzw. Abstoßung werden jeweils angezeigt.

././Physikkurs/elektrisch_ladung/images/geogebra_elektrisch_standbild5.png
Diese Interaktion wurde mit GeoGebra erstellt (www.geogebra.org)

Video 216: Beispiele zur Berechnung der Coulomb-Kraft (C) .

Beispiel 3.1.1  
  1. Gegeben sind die Punktladungen Q1 = Q2 =1C sowie der Abstand der beiden Ladungen mit r=1m. Berechnen Sie die Coulombkraft.



  2. Bestimmen Sie die elektrische Anziehungskraft zwischen einem Elektron und einem Proton im Atom.

    Gegeben ist der Abstand der Teilchen r=5· 10-11 m.





Wenn im Aufgabentext nicht anders angegeben, geben Sie die Ergebnisse auf ganze Zahlen gerundet an. Bei Angaben in wissenschaftlicher Schreibweise (Exponentialschreibweise) runden Sie auf zwei Nachkommastellen.
Verwenden Sie e=1,602· 10-19 C und ε0 =8,854· 10-12 As Vm .