Benutzer:Dirk Huenniger/elektro

Wer an elektrischen Strom denkt, der denkt wahrscheinlich zuerst an die Steckdose. Irgendwo im Kraftwerk wird der Strom erzeugt und Zuhause wird er verbraucht, denn sonst müste man ihn ja nicht bezahlen. So meinte zumindest ein Handwerksmeister der Elektrik. Das Modell des ElektroMeisters ist für die Vorgänge die ihm in seiner Täglichen Arbeit begegnen sicherlich völlig hinreichend. Physikalisch ist die Vorstellung etwas anders. Man kann mit ihr genauso die Fragen beantworten die den ElektroMeister bewegen, jedoch kann man auch noch viele weitere Dinge hiermit verstehen. Ganz wichtig für diese Vorstellung ist ein Teilchen names Elektron. Es ist so klein das man bislang noch nicht einmal messen konnte wie klein es ist. Und es verhält sich wenn man es vermessen will so seltsam das man kaum mehr wirklich sagen kann es sei ein Teilchen. Manchmal scheint es eher eine Welle zu sein. Jedenfalls gibt es in allem was wir sehen Elektronen und davon unvorstellbar viele. In der physikalischen Vorstellung besteht die Welt aus kleinen Teilchen, den sogenannten Atomen. In einem Atom gibt es wiederum Elektronen Protonen und Neutronen und manchmal jedoch sehr selten noch eine vielzahl weiterer teilweise höchst merkwürdiger Teilchen. Die Masse (das Gewicht) eines Körpers befindet sich hauptsächlich in den Protonen und Neutronen, weil Elektronen sehr leichte Teilchen sind. Meist gibt es in einem Gegenstand etwa gleich viele Elektronen wie Protonen. Jedoch kann man auf einen Körper zusätzliche Elektronen aufbringen oder ihm einen Teil seiner vorhandenen Elektronen entziehen. Ein Körper mit zu wenig Elektronen heist positiv geladen, einer mit zuvielen heist negativ geladen. Also zuviel heist negativ und zuwenig heist positiv. Das klingt seltsam und nicht so wie man naiv raten würde. Man kann sich es vieleicht besser merken wenn man sich merkt das Elektronen negativ geladene Teilchen sind.

Coulomb Kraft

Bringt man nun zwei negativ geladene Körper nahe zusammen so bemerkt man das sie durch eine Kraft auseinander gedrückt werden. Nimmt man einen Positiv und einen negativ geladenen Körper so bemerkt man eine anziehende Kraft. Beides ist erst mal ziemlich erstaunlich. Bringt man zwei altagsgegenstände nahe zusammen so wird man etwas derartiges nicht beobachten. Hat man schon einmal mit Magneten gespielt so wird man sich daran erinnert fühlen und ja beim Magnetismus hat man ein ganz ähnliches Phänomen. Bei genauerer Untersuchung stellt man fest das die Kraft zur Anzahl der fehlenden bzw. überschüssigen Elektronen proportional ist. Sprich bei doppelt so vielen Elektronen braucht ist die Kraft doppelt so groß usw. Weiterhin stell man fest das die Kraft mit zunehmendem Abstand geringer wird. Interessanterweise ist das ganz ähnlich wie bei einer Kerze die man aus unterschiedlichen Entfernungen betrachtet. Je weiter man von ihr weggeht um so schwächer ist der Lichtschein den man noch sieht. Bei der Kerze kann man sich vorstellen das sie Lichtteilchen (diese nennt man übrigens Photonen) in alle Richtungen gleichermasse verschießt. Je weiter man sich von der Kerze entfernt umso geringe ist die Chance von einem Lichtteilchen getroffen zu werden, weil der Teilchenregen mit zunehmender Entfernung immer dünner wird. Es ist natürlich naheliegend zu fragen, wieviel dünner der Teilchenregen genau wird. Man nehme ein quadratisches Blatt Papier der Seitenlänge 10cm und halte es im Abstand von 1m vor die Lichtquelle, so dass es auf einer 2m Entfernten Leinwand den gröstmöglichen Schatten wirft. Man sieht das der Schatten wieder ein Quadrat ist jedoch mit einer Seitenlänge von 20cm. Seine Fläche beträgt 20cm mal 20 cm also $400\mathrm {cm} ^{2}$ . Die Fläche des den Schatten erzeugenden Papiers beträgt 10cm mal 10cm also $100\mathrm {cm} ^{2}$. Das ist ein Faktor 4 um den sich diese beiden Flächen unterscheiden. Der Abstand ist 1m bzw 2m. Also gibt es einen Faktor 2 um den sich diese beiden Abstände unterscheiden. Verdoppeln wir also den Abstand so wird das Licht auf eine viermal so große Fläche verteilt. Das heißt die Dichte des Lichtteilchenregens nimmt um einen Faktor 4 ab. Genauso überlegt man sich das man bei einer Verdreifachung des Abstandes eine Abnahme des Lichtstroms um den Faktor 9 erhält. Algemein gibt das die Intensität der Strahlung mit der quadrierten (mit sich selbst multiplizierten) Entfernung abnimmt. Zusammen in einer Formel aufgeschrieben hat man.

$F\propto {\frac {Q_{1}Q_{2}}{r^{2}}}$

Dabei ist F die Kraft. $Q_{1}$ und $Q_{1}$ sind die sogenannten elektrischen Ladungen. Das ist aber nichts anderes als die Anzahl der fehlenden bzw. überschüssigen Elektronen. Es gilt genau genommen $Q=n\cdot e$. Dabei ist n die Anzahl der überschüssigen/fehlenden Elektronen und e ist ein Konstante. Sie heißt Elektronenladnung. Es gilt $e\approx 1.6\cdot 10^{-19}$. Das mit dem $e\approx 1.6\cdot 10^{-19}$ heist ausgeschrieben $e\approx 0.00000000000000000016\cdot 10^{-19}$, also insgesamt 19 Nullen.