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Grundlagen der Elektrotechnik


Aufbau der Materie


elektrische Ladung

Valid HTML 4.01 Transitional Atommodell Arsen

elektrostatische Phänomene

Historie

geladene Teilchen

elektrisches Feld

Eigenschaften von Ladungen















zuletzt geändert am 25.09.2002








Hier wird erklärt, was elektrische Ladungen sind, welche Eigenschaften sie haben und wie sie sich verhalten.




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elektrostatische Phänomene

Historie







Kennen sie folgende Phänomene:

ähnliche Erscheinungen sind schon seit langem (Griechen) bekannt und beschrieben. Damals veranstalteten spiel- u. forschertriebbesessene Menschen Versuche mit Bernstein statt Plastik. Bernstein hieß in Griechenland Elektron, was schließlich einem wichtigen Elementarteilchen und einer bedeutenden Techniksparte zu ihrem Namen verhalf.
Damals konnte man nur staunen, heute erklärt man die Beobachtungen mit der Elektrizität, bzw. mit elektrischen Ladungen oder elektrisch geladenen Teilchen.






elektrostatische Phänomene

Historie

geladene Teilchen






Die oben erwähnten Phänomene konnte man früher zwar beobachten, erklären lassen sie sich jedoch erst seit der Entdeckung der elektrischen Ladung.

Die gesamte Materie ist aus Elementarteilchen aufgebaut. So nennt man Teilchen, von denen man annimmt, dass sie nicht weiter zerlegbar sind.






Historie

geladene Teilchen

elektrisches Feld





Es gibt also einige Teichen / Elementarteilchen, die elektrisch geladen, und es gibt welche, die elektrisch neutral sind:

Elektron negativ geladen -e
Proton positiv geladen +e
Neutron elektr. neutral 0
Photon (Lichtquant) elektr. neutral 0
Interessant ist, dass es offenbar eine kleinste elektrische Ladung, sozusagen ein Ladungsquantum gibt, nämlich +/- e ( e = 1,6 *10-19As). Entweder ist ein Teilchen neutral, oder es hat die positive oder negative elektrische Ladung mit dem angegebenen Wert. In der Tabelle sind nur sehr wenige Teilchen aufgeführt, die Aussage gilt aber allgemein, allerdings mit Ausnahme der weiter oben erwähnten Quarks, deren Ladung 1/3e oder 2/3 e beträgt.



Arsen-Atom Die elektrische Ladung von Atomen ist neutral, da jedes genau so viele Protonen im Kern enthält wie Elektronen in der Atomhülle.

Ionen sind veränderte Atome oder auch Moleküle, die elektrisch geladen sind. Sie entstehen dadurch, dass man ein oder mehrere Elektronen der Hülle entfernt oder zusätzlich draufpackt (durch Bestrahlen, hohe Temperaturen, hohe Spannungen oder in chem. Verbindungen oder bei der Dissoziation chemischer Verbindungen in Flüssigkeiten). Dabei unterscheidet man einfach positive Ionen, einfach negative Ionen, mehrfach positive Ionen und mehrfach negativen Ionen, je nach Zahl der überschuss- oder Mangelelektronen.













geladene Teilchen

elektrisches Feld

Eigenschaften von Ladungen









elektrisches Feld Jede elektrische Ladung erzeugt ein elektrisches Feld. Wenn sich die Ladung nicht bewegt, so handelt es sich um ein elektrostatisches Feld. Solche elektrostatischen Felder kann man sichtbar machen, indem man Grieskörnchen in einem flachen ölbad (Isolator) verteilt, in das 2 jeweils beliebig geformte Elektroden ( eingetaucht sind, die sich nicht berühren dürfen. An die beiden Elektroden ist eine Hochspannung anzulegen. Nach einer gewissen Zeit bilden die Grieskörnchen Ketten, die genau den Feldlinienverlauf wiedergeben.
Für sechs verschiedene Elektrodenanordnungen zeigt das Bild die Feldlinienverläufe.











Aus den Bildern erkennt man folgende Eigenschaften für elektrische Felder: ähnlich kann man auch mit Eisenspänen die Feldlinien von Magnetfeldern veranschaulichen.












elektrisches Feld

Eigenschaften von Ladungen

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  • Es gibt zwei Arten von Ladung, sinnvollerweise als positiv und negativ unterschieden, da sie einander neutralisieren können.

  • Ladung bleibt im abgeschlossenen System immer erhalten. Wenn geladene Teilchen erzeugt oder vernichtet werden, dann geschieht dies immer in gleichen Quantitäten beider Vorzeichen.

  • Ladung ist gequantelt , d. h. sie kommt nur als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e = 1,602 * 10-19As vor. Den Quarks schreibt man Drittel-Ladungen zu, aber sie treten nie isoliert auf.
    Dem Absolutbetrag nach sind die Ladungen von Elektron und Proton exakt gleich.


  • Die elektrische Kraft zwischen zwei geladenen Elementarteilchen ist etwa 1040 mal größer als die Gravitation zwischen ihnen.

  • Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an.

  • Die Kraft zwischen zwei Punktladungen hat die Richtung ihrer Verbindungslinie.

  • Die Kraft zwischen zwei Ladungen Q1 und Q2 ist proportional zum Produkt Q1Q2.

  • Die Kraft zwischen zwei Ladungen vom Abstand r ist poportional zu r-2.

  • Der Betrag der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen berechnet man mit der Formel
    F= (Q1 Q2) / (4 π ε 0 r2)
    wobei die Influenzkonstante ε 0 den Wert 8,8542 * 10-12 As/Vm hat.


  • Kräfte die von Ladungen ausgehen sind additiv. Das betrifft nicht nur an der gleichen Stelle vereinigte Ladungen, sondern auch beliebig im Raum angeordnete.


im Wesentlichen zitiert aus Gerthsen, Physik, Springer Verlag, 20. Aufl.
















































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