Elektrische Ladung

Elektrische Ladungen und elektrisch geladene Körper

Bestandteil der Atome sind die positiv geladenen Protonen und die negativ geladenen Elektronen. Durch Dissoziation entstehen positiv und negativ geladene Ionen, bei denen jeweils ein Elektronenüberschuss oder ein Elektronenmangel besteht. Das ist auch auf beliebige Körper übertragbar: Ein Körper ist negativ geladen, wenn er einen Elektronenüberschuss besitzt. Er ist positiv geladen, wenn Elektronenmangel vorhanden ist. Die Bezeichnung positiv und negativ in diesem Zusammenhang gehen auf den amerikanischen Wissenschaftler und Staatsmann BENJAMIN FRANKLIN (1706-1790) zurück.
Die Ladung des Elektrons ist genauso groß wie die Ladung des Protons und hat einen Wert von
$e=\mathrm{1,602}17646\cdot {10}^{-19}\text{C}\approx \text{1}\text{,602}\cdot {10}^{-19}\text{C}$
Diese Größe wird als Elementarladung bezeichnet. Dieser Begriff wurde geprägt, als man davon ausging, dass diese Ladung die kleinste elektrische Ladung in der Natur ist. Heute weiß man, dass bei Quarks auch 1/3 der Elementarladung auftritt. Trotzdem gilt: Die Ladung eines Körpers lässt sich immer als Vielfaches der Elementarladung angeben:
$\begin{array}{l}Q=N\cdot e\\ \text{N Anzahl der Ladungen}\\ \text{e Elementarladung}\end{array}$

Die physikalische Größe elektrische Ladung

Wie stark ein Körper elektrisch geladen ist, wird durch die physikalische Größe elektrische Ladung beschrieben.
Formelzeichen: Q
Einheit: ein Coulomb (1 C = 1 As)
Die Einheit 1 C (ein Coulomb) ist nach dem französischen Naturforscher CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB (1736-1806) benannt. Ein Körper hat eine Ladung von 1 C, wenn er einen Elektronenmangel oder einen Elektronenüberschuss von etwa $\mathrm{6,2}\cdot {10}^{18}$ Elektronen besitzt. Das ist die Anzahl der Elektronen, die bei einer Stromstärke von 1 A in einer Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Wie bereits oben dargestellt, ist die Ladung von Körpern und auch von Ionen immer ein Vielfaches der Elementarladung e.

Betrachtet man einen abgeschlossenen Raumbereich, dann gilt für ihn das Gesetz von der Erhaltung der Ladung, auch Ladungserhaltungssatz genannt. Er lautet:
In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtladung erhalten.
$\begin{array}{l}Q={\displaystyle \sum _{i=1}^n{Q}_i}\\ Q\text{Gesamtladung}\\ Q_i\text{Teilladungen}\end{array}$
Einzubeziehen sind dabei alle positiven und negativen Ladungen.

Elektrische Ladung und elektrischer Strom

Sich bewegende elektrische Ladung wird als elektrischer Strom bezeichnet. So bewegen sich in einem Leiter bei Stromfluss Elektronen, in Halbleitern Elektronen oder Löcher, in Flüssigkeiten positiv und negativ geladenen Ionen, in Gasen Ionen und Elektronen sowie im Vakuum Elektronen oder auch andere geladenen Teilchen, z.B. doppelt positiv geladene Heliumkerne oder Protonen oder Ionen.
Für den Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Ladung gilt allgemein folgender Zusammenhang, der auch in Bild 2 dargestellt ist:

$\begin{array}{l}Q={\displaystyle \underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}I(t)\text{d}t}\\ I\text{Stromstärke}\\ t\text{Zeit}\end{array}$
Für eine zeitlich konstante Stromstärke vereinfacht sich der Zusammenhang zu:
$Q=I\cdot \Delta t$
Im I-t-Diagramm ist die elektrische Ladung gleich der Fläche unter dem Graphen (Bild 2). Damit kann man z.B. auch bei Auflade- oder Entladevorgängen ermitteln, wie groß die Ladung ist.

Umgedreht kann man die Stromstärke über die transportierte Ladung definieren. Bei einer beliebigen, zeitlich veränderlichen Stromstärke gilt:
$I=\frac{dQ}{dt}$
Ist die Stromstärke konstant, so erhält man:
$I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\text{oder}I=\frac{Q}{t}$

Kräfte zwischen geladenen Körpern

Zwischen geladenen Körpern wirken Kräfte. Dabei gilt (Bild 3):

Der Betrag dieser Kraft kann nach einem von dem französischen Physiker CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB (1736-1806) gefundenen Gesetz berechnet werden. Es wird heute als coulombsches Gesetz bezeichnet und lautet:

$\begin{array}{l}F=\frac{1}{4\pi \cdot {\epsilon }_0\cdot {\epsilon }_r}\cdot \frac{Q_1\cdot Q_2}{r^2}\\ {\epsilon }_0\text{elektrische Feldkonstante}\\ {\epsilon }_r\text{Permittivitätszahl (Dielektrizitätszahl)}\\ Q_1,Q_2\text{Ladung der beiden Körper}\\ r\text{Abstand der Massenmittelpunkte}\end{array}$
Das coulombsche Gesetz gilt exakt für Punktladungen, ist in guter Näherung aber auch anwendbar, wenn die Abmessungen der geladenen Körper klein gegenüber dem Abstand der Körper sind.

Messung und Nachweis von Ladung

Elektrische Ladung kann mit einem Elektroskop nachgewiesen werden. Geräte mit Skala bezeichnet man auch als Elektrometer. Ein weiteres Gerät zum Nachweis und zur Messung von Ladung sind Galvanometer unterschiedlicher Bauart, die meist eine große Empfindlichkeit haben.
Genutzt wird bei Elektroskopen bzw. Elektrometern die Kraft zwischen gleichartig geladenen Körpern (Bild 4). Durch die Konstruktion kommt es unabhängig von der dominierenden Ladungsart zu einem Ausschlag.

Ladungstrennung und Ladungsausgleich

Ein beliebiger Körper ist in der Regel elektrisch neutral. Es kann in sehr unterschiedlicher Weise eine Ladungstrennung hervorgerufen werden.

Ladungstrennung durch Reibung : Reibt man z.B. einen Plastikstab mit einem Wolltuch und trennt man die beiden Körper voneinander, dann ist der Plastikstab negativ und das Wolltuch positiv aufgeladen. Beim innigen Berühren und Reiben gehen Elektronen von einem Körper auf einen anderen Körper über. Man spricht deshalb von Reibungselektrizität.
Solche Reibungselektrizität kann überall dort auftreten, wo sich Körper innig berühren oder aneinanderreiben. So sind z.B. die elektrischen Schläge, die man mitunter erhält, wenn man sich aus einem Sitz erhebt und einen metallischen Gegenstand berührt, auf Reibungselektrizität zurückzuführen.
Reibungselektrizität spielt auch in der Papier- und Textilindustrie eine Rolle, wo Stoffe über Rollen laufen und Reibung auftritt.
Genutzt wird die Ladungstrennung durch Reibung beispielsweise beim Bandgenerator (Bild 5). Ein Bandgenerator besteht aus einer großen und einer kleinen Metallkugel. Innerhalb der großen Metallkugel kann mittels einer Kurbel ein Gummiband bewegt werden. Auf diesem Gummiband sitzt eine Metallbürste, die leitend mit der äußeren großen Kugel verbunden ist.
Durch Bewegung und Reibung zwischen Metallbürste und Gummiband kommt es zu einer Ladungstrennung. Elektronen wandern von der großen Metallkugel weg, wodurch diese positiv geladen wird. Über eine zweite Metallbürste und einen elektrische Leiter können diese Elektronen zur kleinen Metallkugel wandern, wodurch diese elektrisch negativ geladen wird.

Ladungstrennung durch Influenz : Ladungstrennung auf einem Körper kann man auch erreichen, wenn man einen elektrisch geladenen Körper in die Nähe eines anderen, ungeladenen Körpers bringt. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung von Ladungen auf dem Körper. Ein Teil des Körpers ist dann positiv geladen, ein anderer Teil negativ. Eine solche, durch Kräfte zwischen den Ladungen hervorgerufene Ladungstrennung erfolgt nur, wenn die Ladungsträger auf dem betreffenden Körper beweglich sind. Das ist bei Leitern der Fall.
Bringt man dagegen einen geladenen Körper in die Nähe eines Isolators, dann wirken zwar auch Kräfte zwischen den geladenen Teilchen. Das führt aber nicht zu einer Ladungstrennung in der Weise, dass man Ladungen z.B. ableiten kann. Es führt lediglich zu einer Ladungsverschiebung der gebundenen Ladungsträger, zur Ausbildung sehr kleiner elektrischer Dipole. Im Unterschied zur Influenz wird diese Erscheinung als dielektrische Polarisation bezeichnet. Damit ist zu erklären, dass kleine Papierschnitzel oder Styroporkugeln von elektrisch geladenen Körpern angezogen werden.

Ein Wasserstrahl wird ebenfalls durch einen elektrisch geladenen Körper aufgrund der Influenz abgelenkt. Wasser besteht aus Wassermolekülen, die kleine elektrische Dipole sind. Diese richten sich aufgrund der zwischen Ladungen wirkenden Kräfte aus. Lädt man einen Kunststoffstab durch Reiben mit einem Lappen oder Bekleidung auf und hält ihn dann in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls, so kann man die Ablenkung deutlich sehen (Bild 7).

Ladungstrennung durch Dissoziation : Bringt man Wasser mit Basen, Säuren oder Salzen zusammen, so entstehen in der wässrigen Lösung durch Dissoziation positiv und negativ geladene Ionen. Nachfolgend sind drei Beispiele genannt:
$\begin{array}{l}\text{NaOH}\to {\text{Na}}^{+}+{\text{OH}}^{-}(\text{Natriumhydroxid)}\\ {\text{H}}_{\text{2}}{\text{SO}}_{\text{4}}\to 2{\text{H}}^{+}+{\text{SO}}_4^{2-}(\text{Schwefelsäure)}\\ \text{NaCl}\to {\text{Na}}^{+}+{\text{Cl}}^{-}(\text{Natriumchlorid oder Kochsalz)}\end{array}$

Ladungstrennung durch elektrochemische Vorgänge : Durch elektrochemische Vorgänge an Elektroden erfolgt bei galvanischen Elementen eine Ladungstrennung. Sie wird z.B. bei Monozellen, Batterien, Akkumulatoren und auch bei Brennstoffzellen genutzt. Genauere Informationen dazu sind unter den betreffenden Stichwörtern zu finden.

Weitere Möglichkeiten der Ladungstrennung : Eine Ladungstrennung bzw. eine Ladungsverschiebung kann auch in verschiedener anderer Weise erreicht werden. Genannt seien als Beispiele die elektromagnetische Induktion in Leitern, thermoelektrische Vorgänge und der piezoelektrische Effekt. Auch hier sind genauere Informationen unter den betreffenden Stichwörtern zu finden.

Liegen zwei unterschiedlich geladene Körper (Kugeln, Platten, Elektroden) vor und verbindet man diese Körper leitend miteinander, so erfolgt zwischen den Körpern ein Ladungsausgleich. Ein solcher, zumindest partieller Ladungsausgleich kann auch durch elektrische Überschläge (Funken, Blitze) erfolgen.