Elektrische Ladung
Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Protonen sind positive, Neutronen neutrale und Elektronen negative Ladungen. Gemäß den Atommodellen besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen, die den Großteil der Masse (99,9%) der Materie ausmachen. Als Atomhülle fungieren die Elektronen, die um den Atomkern kreisen. Im Urzustand sind Atome nach außen elektrisch neutral. Sie sind elektrisch nicht geladen, weil die Anzahl der Elektronen und Protonen identisch ist.
Eine elektrische Ladung kann durch Ladungstrennung erzeugt werden. Dabei sorgt man dafür, dass die Anzahl der Protonen und Elektronen unterschiedlich sind. Werden Atome durch Ladungstrennung elektrisch geladen, nennt man sie Ionen, weshalb man den Vorgang der Ladungstrennung auch Ionisation nennt. Bei einem Protonenüberschuss ist das Ion positiv geladen. Bei einem Elektronenüberschuss ist das Ion negativ geladen.
Anziehung durch Ausgleichsstreben elektrischer Ladungen
Elektrisch geladene Ionen haben immer ein Ausgleichsstreben. Dabei ziehen sich unterschiedliche Ladungen an, weil durch die Berührung ungleicher Ladungen ein Ausgleich geschaffen werden kann. Berührt ein negativ geladenes Ion ein positiv geladenes Ion, gehen die überschüssigen Elektronen vom negativ geladenen Ion auf das positiv geladene Ion über. So wird versucht, ein Ausgleich zu schaffen, so dass beide Ionen wieder zu neutralen Atomen werden.
Abstoßung durch Ausgleichsstreben
Durch das Ausgleichsstreben sind die Ionen bestrebt, kein gleich geladenes Ion zu berühren. Denn, zwischen zwei gleich geladenen Ionen kann kein Ausgleich stattfinden. Haben z.B. zwei Ionen Elektronenmangel, brauchen beide Elektronen. Sie stoßen sich ab, weil zwischen den Ionen kein Ausgleich stattfinden kann. Elektrische Ladungen sowie das Ausgleichsstreben kann man mit einem Elektroskop nachweisen.
Einheit Coulomb für Ladung und Elementarladung
Um die elektrische Ladung messen und damit rechnen zu können, wurde eine Einheit benötigt. Die Ladung wird in der Einheit Coulomb (Abkürzung C, Formelzeichen Q) angegeben. Die Einheit Coulomb kann man mit der elektrischen Stromstärke Ampere oder mit der Anzahl der Elektronen angeben.
Bei der Angabe mit Ampere bedeutet das, dass mit 1 Coulomb die Ladung definiert ist, die in 1 Sekunde mit 1 Ampere (bei konstantem Strom) durch einen elektrischen Leiter fließt.
Bei der Angabe mit der Anzahl der Elektronen muss man zunächst einmal wissen, wieviel Coulomb 1 Elektron ist. Die kleinste in der Natur vorkommende Ladung ist für Protonen und Elektronen identisch und beträgt ca. 1,602177 · 10-19 Coulomb. In Dezimal ausgedrückt sind das 0,0000000000000000001602177 Coulomb. Diese Ladung wird als Elementarladung (Formelzeichen e) bezeichnet. Damit man zwischen Elektronen und Protonen unterscheiden kann, setzt man als Konvention für die Elementarladung eines Elektrons ein Minus (negative Elementarladung = -e) und für die eines Protons ein Plus (positive Elementarladung = +e).
Teilt man eine negative Ladung von -1 Coulomb durch die negative Elementarladung, -1 : - (1,602177 · 10-19), erhält man als Ergebnis 6241507648655548044 oder ≈ 6,241 · 1018. In Worten ausgedrückt kann man sagen, dass ein Körper eine negative Ladung von 1 C hat, wenn der Elektronenüberschuss ≈ 6,241 · 1018 Elektronen beträgt. Ein positiv geladener Körper mit der Ladung von 1 C hat dagegen einen Überschuss an 6,241 · 1018 Protonen oder anders ausgedrückt einen Mangel an 6,241 · 1018 Elektronen.
Elementarladung ist eine Konstante und der Begriff stammt aus der Zeit, in er man annahm, dass dies die kleinste in der Natur vorhandene elektrische Ladung ist. Mittlerweile hat sich diese Annahme jedoch als falsch herausgestellt. Quarks hat beispielsweise nur 1/3 der Ladung eines Elektrons.
Formeln für die elektrische Ladung
Da 1 Coulomb die Ladung ist, die mit 1 Ampere in 1 Sekunde durch einen Leitungsquerschnitt fließt, kann man folgende Gleichungen aufstellen. Die Formelzeichen bedeuten:
- Q = Ladung
- I = Ampere
- t = Zeit
Rechnet man dagegen mit der Anzahl der Elektronen und der Elementarladung, erhält man folgende Gleichungen. Die Formelzeichen sind:
- Q = Ladung
- N = Anzahl der Elektronen oder Protonen
- e = Elementarladung ≈ 1,602 · 10-19 (verkürzte Form)
Beispiel:
Stromstärke (I): 0,8 Ampere
Zeit (t): 10 Minuten = 600 Sekunden
Gesucht: Elektrische Ladung Q
Berechnung: 0,8 · 600 = 480 Coulomb