Benutzer:Rumpus/Baustelle
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Elektrische Ladungen (alt)[Bearbeiten]
In den Atomen aller chemischen Elemente gibt es »Elementarteilchen«, nämlich Protonen und Elektronen, die anziehende oder abstoßende Kräfte aufeinander ausüben. Diese Kräfte werden als »elektrostatische Kräfte«; bezeichnet. Ihre Ursache ist eine besondere Eigenschaft der Protonen und Elektronen, die man »elektrische Ladung« nennt. Es gibt genau zwei Arten von elektrischer Ladung, die man positiv und negativ genannt hat, weil sie einander teilweise oder ganz kompensieren können. Ganz willkürlich und – wie sich später herausgestellt hat – nicht besonders glücklich wurde die Protonenladung als positiv, die Elektronenladung als negativ bezeichnet. Beide Ladungen sind – vom Vorzeichen abgesehen – gleich groß und können einander zu null kompensieren. Da es die kleinsten Ladungen sind, die in der Natur vorkommen, heißen sie Elementarladungen.
Wie man schon mit sehr einfachen Experimenten zeigen kann, stoßen Ladungen gleichen Vorzeichens einander ab, während Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens einander anziehen.
Die so genannte Erzeugung größerer elektrischer Ladungsmengen beruht in Wirklichkeit nicht auf Neuschöpfung elektrischer Ladungen, sondern auf einer Trennung der positiven und der negativen Ladungen, die in der Materie ja immer in gleicher Menge auftreten. Diese Trennung kann z. B. durch intensive Berührung zweier verschiedenartiger Körper geschehen (so genannte Reibungselektrizität) – die älteste und einfachste Form der Ladungstrennung.
Die SI-Einheit der elektrischen Ladung (oder Elektrizitätsmenge) ist das Coulomb (C). 1 Coulomb = 1 Amperesekunde (As).
Reibt man einen Stab aus Glas oder Kunststoff mit einem Stück Stoff, so fließen Elektronen entweder vom Stab auf den Stoff oder umgekehrt. (Die positiv geladenen Protonen befinden sich in den Atomkernen und können diese nicht verlassen.) Je nachdem hat der Stab dann ein Defizit oder einen Überschuss an negativen elektrischen Ladungen und ist dann positiv oder negativ »geladen«. Durch Berührung des Stabes mit einer isoliert aufgehängten Metallkugel kann diese dann ebenfalls positiv oder negativ aufgeladen werden. Wegen der gegenseitigen Abstoßung befindet sich das Defizit bzw. der Überschuss an Elektronen unmittelbar an der Oberfläche der Kugel, und zwar wegen der Symmetrie der Kugel gleichmäßig verteilt. (Bei einem anderen, weniger regelmäßig geformten Körper wäre die Verteilung ungleichmäßig, aber auch dann befänden sich die Ladungen nur an der Oberfläche. Man kann daher für diese Versuche auch metallische oder dünn metallisierte Hohlkörper benutzen.) Nähert man zwei derart geladene Kugeln einander an, so wird die Gleichmäßigkeit der Ladungsverteilung durch die Kräfte zwischen den Ladungen sofort zerstört. Es ist dann schwer, den Abstand der beiden »Kugelladungen« richtig zu bestimmen. Zu diesem Zweck müsste man die Kugeln möglichst klein machen, aber das wiederum schränkt die Größe der Ladungen ein, weil bei größerer Ladungsdichte eine »Sprühentladung« einsetzt (»Sankt-Elms-Feuer«). Daher hatte COULOMB bei seinen Bemühungen, das Gesetz für die Kraft zwischen zwei Ladungen zu bestimmen, große Schwierigkeiten.
Elektrische Ladungen (neu)[Bearbeiten]
Atome bestehen aus einem Kern mit Protonen und Neutronen den die Elektronen umkreisen. Damit die Elektronen ihre Kreisbahn beibehalten müssen Kräfte wirken, als deren Ursache die elektrische Ladung als Eigenschaft von Elektronen und Protonen ermittelt wurde. Wobei Protonen als eine positive Ladung definiert wurden und Elektronen als eine negative Ladung. Dabei haben beide Teilchen im Betrag eine gleich große Ladung, die Elementarladung und kann somit nur als ganzzahliges Vielfaches von diesem Wert auftreten. Des weiteren zeigt sich, das zwischen Ladungen gleichen Vorzeichens abstoßende Kräfte wirken und bei entgegengesetztem Vorzeichen eine gegenseitige Anziehung stattfindet. Treten an einem Ort positive und negative Ladungen gleicher Anzahl auf kompensieren diese sich gegenseitig und wirken auf größere Entfernung neutral, als wäre keine Ladung vorhanden.
Das Formelzeichen Q steht für die elektrische Ladung (auch Elektrizitätsmenge) und die zugehörige SI-Einheit trägt die Bezeichnung Coulomb mit der Kurzform . Für die Elementarladung wurde ein Wert von ermittelt. Aufgrund der Genauigkeit muss man bei größeren Ladungsmengen den Effekt der Quantisierung durch die Elementarladung nicht berücksichtigen.
Die unbehandelte Materie in unserer Umwelt enthält beide Ladungen in gleicher Menge. Die sogenannte Erzeugung elektrischer Ladung beruht nicht auf der Neuschöpfung von Elektronen oder Protonen, sondern resultiert aus der Trennung der bereits vorhandenen Ladungen. Die wohl älteste und einfachste Form der Ladungstrennung geschieht durch intensive Berührung zweier verschiedenartiger Körper, der Reibungselektrizität. Reibt man einen Stab aus Glas oder Kunststoff mit einem Stück Stoff, so fließen Elektronen entweder vom Stab auf den Stoff oder umgekehrt. Die Protonen dagegen befinden sich im Atomkern und bleiben immer an ihrem Platz, da keine Materialzerstörung stattfindet.
Durch Berührung des elektrisierten Stabes mit einer isoliert aufgehängten Metallkugel kann diese dann ebenfalls positiv oder negativ aufgeladen werden. Wegen der gegenseitigen Abstoßung befindet sich das Defizit bzw. der Überschuss an Elektronen unmittelbar an der Oberfläche der Kugel, und aufgrund der Symmetrie einer Kugel gleichmäßig verteilt. Man kann daher für diese Versuche auch metallische oder dünn metallisierte Hohlkörper benutzen. (Bei weniger regelmäßig geformten Körper wäre die Verteilung ungleichmäßig, aber auch dann befänden sich die Ladungen nur an der Oberfläche.) Nähert man zwei derart geladene Kugeln einander an, so wird die Gleichmäßigkeit der Ladungsverteilung durch die Kräfte zwischen den einzelnen Ladungen zerstört. Es ist dann schwer, den Abstand der beiden Kugelladungen richtig zu bestimmen. Zu diesem Zweck müsste man die Kugeln möglichst klein machen, aber das wiederum schränkt die Größe der Ladungen ein, weil bei größerer Ladungsdichte eine »Sprühentladung« einsetzt. Das bereitete Coulomb bei seinen Bemühungen, das Gesetz für die Kraft zwischen zwei Ladungen zu bestimmen, große Schwierigkeiten.