Physik - 14. Folge Elektrische Ladung
Die Phänomene der Elektrizität haben ihre Ursache im Aufbau der Atome aus positiv geladenen Kernen und den Elektronen in der Atomhülle. Zuerst beschäftigen wir uns mit der elektrischen Ladung.
Elektrische Ladungen - Inhaltsübersicht
- 1. Überblick über die wichtigsten Themen der Elektrik
- 2. Kraftwirkung zwischen Ladungen
- 3. Elektrizität in den Atomen
- 4. Aufladen und Entladen
- 5. Messung von Ladungen
1. Überblick über wichtige Themen der Elektrik
Beispiele
1. Beispiel
Heute kann elektrische Energie mithilfe von sogenannten Fotovoltaikanlagen direkt aus Sonnenergie gewonnen werden. Dies ist sehr umweltfreundlich, aber bisher deckt dieser Typ eines Kraftwerks nur einen sehr kleinen Teil des Energiebedarfs ab.
2. Beispiel
Wir nutzen Elektrizität wegen ihrer Wärmewirkung zum Kochen und Braten.
3. Beispiel
Andere Anwendungen verwenden Elektromotoren und damit die magnetische Wirkung der Elektrizität.
4. Beispiel
Für die Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie sorgen Generatoren.
2. Kraftwirkung zwischen Ladungen
Beispiele
Gewitter
Zur Entstehung eines Gewitters ist im Studio ein Modellversuch aufgebaut: Mit einem Bandgenerator wird eine Wolke aufgeladen, hinter der eine Metallkugel steckt. Von dort springen Blitze auf ein geerdetes Hausdach über.
Gleiche Ladung
Das Aufladen und Entladen von Elektrizität beruht auf den Kraftwirkungen zwischen verschiedenen Ladungssorten. Werden zwei Gegenstände gleich aufgeladen, dann stoßen sie sich gegenseitig ab.
Entgegengesetzte Ladung
Werden sie entgegengesetzt geladen, dann ziehen sie sich an.
Mit diesem Wissen kann die Funktionsweise eines Bandgenerators verstanden werden - siehe nächstes Beispiel.
Bandgenerator
Die Ladungen, die sich schon auf der Metallkugel befinden, stoßen sich gegenseitig ab und verteilen sich gleichmäßig in der obersten Metallschicht. Deshalb entsteht viel Platz für weitere Ladungen, die vom Transportband abgestreift werden.
3. Elektrizität in den Atomen
Das Größenverhältnis von einem Tischtennisball zur Erde ist etwa so wie das eines Atoms zu einem Tischtennisball.
Wie kann man die Phänomene der Elektrizität verstehen? Die Grundlagen findet man im Aufbau der Atome. Dazu zunächst eine Größenvorstellung. Man betrachte einen Tischtennisball und vergleiche ihn mit der Größe der Erde. Im gleichen Größenverhältnis steht ein Atom zur Größe des Tischtennisballs!
Größenverhältnis: Atomkern / Atom wie Stecknadelknopf / Fußballfeld
Ein Atom hat einen Durchmesser von etwa 10ˉ¹º Metern. Wie ist das Atom aufgebaut und wie groß ist es im Verhältnis der Atomkern? Wenn das Atom so groß wäre wie ein Fußballfeld, also einen Durchmesser von 100 Metern hätte, dann wäre der Atomkern, der fast die gesamte Masse des Atoms beinhaltet, nur so groß wie ein Stecknadelkopf! Ein Atomkern ist demnach etwa 10-15 Meter groß, er ist ein dichter Tropfen aus Protonen und Neutronen.
Beide Kernbausteine haben etwa die gleiche Masse, aber nur das Proton ist geladen. Es trägt eine positive Elementarladung e. Damit ein Atom nach außen hin elektrisch neutral sein kann, befinden sich in der Atomhülle genauso viele Elektronen mit der negativen Ladung -e wie Protonen im Kern.
Neutronen- / Protonenverhältnis bei Beryllium
Das Metall Beryllium zum Beispiel hat die Kernladungszahl 4, also vier Protonen im Kern und deshalb auch vier Elektronen in der Hülle, wenn es neutral ist. Bei Elektronenüberschuss in der Hülle ist das Atom negativ geladen, bei Elektronenmangel ist es positiv geladen. Man spricht dann von einem negativen beziehungsweise positiven Ion.
Elemente des Periodensystems
Alle Elemente des Periodensystems bestehen aus Atomen. Die Kernladungszahl bestimmt die Lage des Elements im Periodensystem. Atome mit größerer Periodenzahl sind im Allgemeinen größer, weil sie einen größeren Kern haben und sich in ihrer Hülle mehr Elektronen befinden.
Mit der Vorstellung von geladenen und neutralen Atomen ist nun verständlich, wie sich Materie aufladen kann. Jede Materie ist aus Atomen aufgebaut, die geladen sein können oder nicht. Weisen die Atome der Materie insgesamt einen Elektronenüberschuss auf, dann ist die Materie negativ geladen. Wenn insgesamt ein Elektronenmangel vorliegt, dann ist das Material positiv geladen.
Kunststoffstab reibt an Fell: Das Fell wird positiv geladen
Wird ein Kunststoffstab mit einem Fell gerieben, dann haben die Elektronen in den Kontaktflächen die Wahl zwischen zwei Materialien. Kleinste Vorteile bewirken, dass beim Reiben eines Kunststoffstabs an einem Fell viele Elektronen auf den Stab wechseln und das Fell positiv geladen zurücklassen.
Beim Laden eines Ballons mit einer metallischen Oberfläche kommt noch ein anderer Effekt dazu. Die abgestreiften Elektronen können sich über die gesamte Oberfläche verteilen. Dies tun sie, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Analog funktioniert das positive Aufladen eines solchen Ballons. Diesmal springen Elektronen vom Ballon auf den positiv geladenen Stab und hinterlassen am Ballon Elektronenmangel, also eine positive Ladung.
5. Messung von Ladungen
So funktioniert ein Elektroskop: Die Ladungen verteilen sich über den Stab und den Zeiger. Je größer die Ladungsmenge, umso größer der Ausschlag.
Zur Bestimmung der Menge einer Ladung wird ein Elektroskop verwendet. Die Ladungen verteilen sich über den Stab und den Zeiger. Die abstoßenden Kräfte bewirken einen umso größeren Ausschlag, je größer die Ladungsmenge ist. Mit einem Elektroskop kann man keinen Zahlenwert und kein Vorzeichen für die Ladung bestimmen.
Ladungen
Symbol
Für die Ladung wird der Formelbuchstabe Q verwendet - groß oder klein geschrieben ist egal.
Einheit
Die Einheit 1 Coulomb entspricht einer riesigen Anzahl von Elementarladungen - siehe nebenstehende Grafik.
Beispiel
In der Natur finden Sie Beispiele für sehr große und sehr kleine Ladungsmengen.
Bei einem Blitz zum Beispiel fließen etliche Coulomb in sehr kurzer Zeit; dies ist sehr gefährlich.
Bei der Entladung einer Person an einer Türklinke fließen nur winzigste Bruchteile eines Coulomb. Deshalb ist das nur schmerzhaft - aber nicht gefährlich.
Heute gibt es Ladungsmessgeräte, die eine Anzeige in Coulomb erlauben. Diese Elektrometer erlauben die zum Beispiel den Nachweis, dass sich beim Laden mittels Reibungselektrizität beide Materialien gegengleich laden.
Taucht man zum Beispiel eine mit Wachs überzogene Kugel in destilliertes Wasser, dann zieht das Wachs Elektronen aus dem Wasser an. Diesen Effekt nennt man Kontaktelektrizität. Die Reibungselektrizität ist auch nichts anderes; hier wird der enge Kontakt einfach durch Reiben hergestellt.
Faszination Elektrizität
Zum Abschluss dieser Folge wollen wir noch an die Faszination erinnern, die Elektrizitätsexperimente an den Fürstenhöfen des 18. Jahrhunderts auslösten. Damals war es üblich, dass Physiker ihre Experimente zur Erbauung des Publikums präsentierten - so wie heute in den Sendungen von Telekolleg Physik.
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