Einführung – Elektrisches Feld
Grundlagen
\( \cdot \) Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen. Die Bezeichnungen „positive“ bzw. „negative“ Ladung sind historisch bedingt.
\( \cdot \) Aus dem Chemieunterricht ist bekannt: Elektronen und Protonen als Bausteine der Atome sind Träger der elektrischen Ladung. Elektronen sind negativ, Protonen positiv geladen. Bei Atomen befinden sich die Elektronen in der Hülle, die Protonen gemeinsam mit den Neutronen im Kern.
\( \cdot \) Die Ladungsmenge der Elektronen und Protonen ist immer gleich groß (besitzen aber umgekehrtes Vorzeichen). Die Ladungsmenge wird Elementarladung genannt. Sind in einem Atom gleich viele Protonen wie Elektronen vorhanden, was meistens der Fall ist, erscheint das Atom nach außen hin neutral.
\( \cdot \) Gleichen sich in einem Körper, der sich ja aus einer Vielzahl von Atomen zusammensetzt, die negativen Ladungen mit den positiven Ladungen aus, erscheint der Körper nach außen hin elektrisch neutral. Entfernt man aus einem Körper Elektronen, so ist ein Mangel an negativen Ladungen vorhanden und der Körper somit positiv geladen. Fügt man negative Ladungen hinzu, erhält man einen Elektronenüberschuss und somit einen negativ geladenen Körper.
\( \cdot \) Durch die Reibung zweier Körper aneinander kommt es an den Berührungsstellen zur Abgabe bzw. Aufnahme einiger Elektronen.
\( \cdot \) Ladungen üben aufeinander Kräfte aus. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
\( \cdot \) Fließende elektrische Ladung bezeichnet man als elektrischen Strom. Die Stromstärke ist der Quotient aus transportierter Ladung und der dafür benötigten Zeit: \( I=\lim\limits_{\Delta t\to 0} {\frac{\Delta Q}{\Delta t}}=\frac{dQ}{dt}=\dot{Q} \)
\( \cdot \) Die Einheit des elektrischen Stroms ist das Ampère (1 A). Sie ist eine Basiseinheit im SI-Einheitensystem.
\( \cdot \) Die Einheit der Ladung wird aus der Einheit des elektrischen Stroms abgeleitet. Sie ist: \( [Q] = 1 A\cdot s = 1 C (Coulomb) \)
\( \cdot \) Die elektrische Leistung Pel ist das Produkt aus Spannung und Strom:
\( P_{el} = U\cdot I \) mit der Einheit \( [P_{el}] = 1 V\cdot A = 1 W (Watt) \)
\( \cdot \) Die elektrische Arbeit Wel ist das Produkt aus der elektrischen Leistung Pel und der Zeitdauer t, während die elektrische Arbeit verrichtet wird:
\( W_{el} = P_{el}\cdot t = U\cdot I\cdot t = U\cdot Q \) mit der Einheit \( [W_{el}] = 1 V\cdot A\cdot s = 1 J (Joule) \)
\( \cdot \) Bei der Umwandlung von elektrischen in mechanische Einheiten, oder umgekehrt, bedienen wir uns der Tatsache, dass wir die Arbeit in elektrischen und mechanischen Einheiten angeben können (WICHTIG für Einheitenrechnungen im Abitur!):
\([ W_{el}] = 1 V\cdot A\cdot s = [W_{mech}] = 1 N\cdot m = 1 \frac{kg \cdot m}{s^{2}} \cdot m \)
Nachweis von Ladungen mit dem Elektroskop
Mit dem Elektroskop kann man nachweisen, ob ein Körper geladen ist oder nicht. Man nutzt dabei aus, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Der feste Stab und der bewegliche Zeiger im Elektroskop stoßen sich nach der Aufladung ab. Das ist unabhängig davon, ob auf dem Elektroskop Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel herrscht. Die Messung der Ladungsmenge mit dem Elektroskop ist sehr ungenau, da eine relativ große Ladungsmenge vom Körper auf das Elektroskop fließt. Warum der Zeiger schon ausschlägt, bevor die geladene Kugel das Elektroskop berührt, behandeln wir auf der nächsten Seite.
Feststellung der Ladungsart
Wird ein Hartgummistab an einem Katzenfell gerieben, dann gibt das Katzenfell Elektronen an den Hartgummistab ab, weil die Elektronen im Katzenfell weniger stark gebunden sind als im Gummistab. Das Katzenfell ist nach dem Reiben positiv, der Hartgummistab negativ geladen. Hält man nun den Hartgummistab an einen genügend stark geladenen Körper, kann man aufgrund der Anziehung bzw. Abstoßung die Ladung des Körpers bestimmen. Genausogut kann ein Glasstab verwendet werden, der an einem Seidentuch gerieben, anschließend positiv geladen ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer Glimmlampe. Glimmlampen bestehen aus einem mit Neongas gefüllten Glaszylinder, der zwei Elektroden im Inneren hat. Berührt man die Glimmlampe mit einem genügend stark geladenen Körper, leuchtet die Elektrode auf, die mit dem negativen Pol verbunden ist.
Der Ladungsmessverstärker
Zur genauen quantitativen Ladungsmessung kann man einen Ladungsmessverstärker verwenden. Zur Erklärung des Messverfahren ist ein tieferes Verständnis des elektrischen Feldes nötig, das wir an dieser Stelle noch nicht besitzen. Bei den folgenden Versuchen betrachten wir den Ladungsmessverstärker als Black-Box.
Die Influenz
Hält man einen geladenen Stab über ungeladene Papierschnipsel, werden sie vom Stab angezogen. Geladene Körper wirken also auf neutrale Körper in ihrer Umgebung. Im ungeladenen Körper werden dabei die beweglichen Elektronen vom geladenen Körper angezogen bzw. abgestoßen. Auf der einen Seite des Körpers entsteht damit Elektronenüberschuss, auf der anderen Seite Elektronenmangel. Diesen Vorgang der Ladungstrennung bezeichnet man als Influenz. An einem Elektroskop kann man die Influenz zeigen. Obwohl das Elektroskop nicht mit der geladenen Kugel berührt wird, schlägt der Zeiger aus. Die Ladungstrennung im Elektroskop sorgt dafür, dass der bewegliche Zeiger abgestoßen wird.