Elektrische Ladung, Strom, Influenz & Polarisation

Elektrische Ladung

Es gibt zwei Arten elektrischer Ladung: positive und negative Ladungen, wobei die Ladungsträger negativer Ladungen Elektronen heissen und die Ladungsträger positiver Ladungen Protonen sind. Gleichnamige Ladungen stossen sich ab und ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Die Ladungsträger sind auch die "Bausteine", aus welchen jeder Körper/Gegenstand besteht. Ein Atom hat einen Atomkern, welcher aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen besteht und aussen herum befinden sich negativ geladene Elektronen. Befinden sich die positiven und negativen Ladungsträger in einem Körper im Gleichgewicht, so erscheint dieser nach aussen als elektrisch neutral. 

Liegt ein Elektronenüberschuss vor, so erscheint der Körper als elektrisch negativ geladen.

Liegt ein Elektronenmangel vor, so erscheint der Körper als elektrisch positiv geladen.

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In einem Festkörper sind die Atome in einem dreidimensionalen Gitter angeordnet. Die Atomrümpfe sind dabei an festen Stellen fixiert. Je nachdem aus welchem Material der Festkörper besteht, gibt es einige, wenige oder gar keine Elektronen, welche sich von den Atomrümpfen lösen können und sich nahezu frei zwischen den Atomen bewegen können. Diese freien Elektronen werden als Elektronengas bezeichnet. Materialien, in denen sehr wenige oder gar keine solcher freien Elektronen existieren, sind Isolatoren. Elektrische Ladung kann durch solche Isolatoren nicht transportiert werden, da die Elektronen fest fixiert sind. In Metallen gibt es pro Atom ca. ein freies Elektron, was dazu führt, dass Metalle sehr gute elektrische Leiter sind. 

Will man die Ladung eines Körpers ändern, so muss man also Elektronen entfernen oder hinzufügen. Dies kann geschehen, indem man einen geladenen Körper mit einem ungeladenen Körper in Kontakt bringt. Hierbei werden Elektronen des negativ geladenen Körper auf den elektrisch neutralen Körper überfliessen. 

Beispiel

Will man elektrische Ladung nachweisen, so tut man das mit einem Elektroskop. Dieses ist zunächst elektrisch ungeladen. Berührt man nun den Kopf des Elektroskops mit einem elektrisch negativ geladenen Körper, so fliessen die Elektronen auf Kopf, Haltestab und Zeiger des Elektroskops über. Da alle Komponenten des Elektroskops somit gleichnamig geladen sind, stossen sie sich ab und der Zeiger schlägt aus. Dies funktioniert analog auch mit elektrisch positiv geladenen Körpern.

Influenz

Der Zeiger eines Elektroskops schlägt nicht erst aus, wenn man den Kopf mit einem elektrisch geladenen Körper berührt. Er tut dies bereits, wenn man sich dem Kopf des Elektroskops nähert. Dieses Phänomen bezeichnet man als Influenz. Bringt man einen elektrisch geladenen Körper in die Nähe eines elektrisch neutralen Leiters, so kann der elektrisch geladene Körper eine Ladungsverschiebung im Leiter hervorrufen, was dazu führt, dass der elektrisch neutrale Leiter nach aussen geladen wirkt. Dieser Effekt wird durch Entfernen des elektrisch geladenen Körpers wieder reversiert.

Beispiel

Bringt man einen negativ geladenen Körper in die Nähe des Elektroskop-Kopfes, so strömen die dort befindlichen Elektronen, abgestossen vom negativ geladenen Körper, in das Innere des Elektroskops. Während der Kopf nun positiv geladen ist, sind Zeiger und Haltestab negativ geladen und es kommt zu einem Zeigerausschlag. Entfernt man den geladenen Körper wieder, so geht auch der Zeigerausschlag zurück.

Polarisation

Kommt es in elektrisch neutralen Leitern zu einer inneren Ladungsverschiebung durch Annäherung eines elektrisch geladenen Körpers, so spricht man von Influenz. Aber auch zwischen einem elektrisch geladenen Körper und einem Isolator kann Anziehung durch Polarisation entstehen. Dabei richten sich die Ladungen innerhalb der fixierten Atome im Festkörper in eine bestimmte Richtung aus. Es bilden sich sogenannte elektrische Dipole.

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Elektrische Ladung und Stromstärke

Strom ist nichts anderes als bewegte elektrische Ladungen. Deshalb ist es auch naheliegend, die Ladung eines Körpers quantitativ zu bestimmen, indem man ihn entlädt und dann aus dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke die entflossene Ladung bestimmt. Stromstärke und Ladung hängen also direkt miteinander zusammen.

Die elektrische Stromstärke $$I$$ gibt an, wie viel Ladung $$Q$$ in einer bestimmten Zeit $$t$$ durch den Querschnitt eines Leiters transportiert wird. 

​$$I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}$$​​

Die Stromstärke wird in der Einheit Ampere $$A$$​ angegeben, während die Ladung in der Einheit Coulomb $$C$$ angegeben wird. Ein Coulomb ist auch eine Ampere-Sekunde.

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$$[I] = A$$​​

​$$[Q] = C = A \cdot s$$​​

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Beispiel

Ein Proton besitzt eine Ladung von $$Q = 1{,}602 \cdot 10^{-19} \ C$$. Diese Ladung wird auch als Elementarladung $$e$$ bezeichnet, da sie die kleinstmögliche Ladung ist. Jede andere Ladung liegt immer als ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung vor. Ein Elektron trägt die betragsmässig gleiche Ladung  $$- e$$. Die Ladung des Protons und des Elektrons unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen. 

Beispiel

Es fliesst ein Strom von $$0{,}65 \ A$$ durch den Querschnitt eines Leiters. Wie viele Elektronen fliessen in 5 Minuten durch den Querschnitt des Leiters?

Gegeben: Stromstärke $$I = 0{,}65 \ A$$, Zeit $$t = 5\, min = 5 \cdot 60\, s = 300\,s$$​

Gesucht: Anzahl der Elektronen $$N_e$$

Lösung: 

Berechne die Ladung, welche in 5 Minuten durch den Querschnitt transportiert wird, mit der bekannten Formel:

​$$\Delta Q = \Delta I \cdot t = 0{,}65\,A \cdot 300\,s = 195\,C$$

Berechne, wie oft die Elementarladung in die Ladung passt und somit wie viele Elektronen gebraucht werden, um die Ladung zu transportieren:

\Delta Q = N_e \cdot e \rightarrow N_e = \frac{\Delta Q}{e} = \frac{195\,C}{1{,}602 \cdot 10^{-19}\,C} = 1{,}2 \cdot 10^{21}​$$\Delta Q = N_e \cdot e \rightarrow N_e = \frac{\Delta Q}{e} = \frac{195\,C}{1{,}602 \cdot 10^{-19}\,C} = 1{,}2 \cdot 10^{21}$$

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Es fliessen also bei einer Stromstärke von $$0{,}65 \,A$$ in 5 Minuten ca. $$1 \cdot 10^{21} = 1\, 000 \, 000 \, 000 \, 000 \, 000 \, 000 \, 000$$ Elektronen durch den Querschnitt des Leiters.