Ladung

Aus der Physik ist bekannt, dass Elektronen negativ und Protonen positiv geladen sind. Sie weisen jeweils die Elementarladung auf. Negativ geladene Elektronen umkreisen den Atomkern, in dem sich positiv geladene Protonen aufhalten. Innerhalb eines Atoms gibt es an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Ladungen. Viele Protonen erzeugen insgesamt viel positive Ladung. Viele Elektronen an einem Ort laden diesen stärker negativ auf, als wenn nur wenige Elektronen vor Ort wären. Den Aufbau eines Atomkerns hinsichtlich der Ladung veranschaulicht folgende prinzipielle Darstellung:

Es gibt nur Vielfache der Elementarladung e, niemals Bruchteile davon. Ladung kann also nicht beliebig geteilt werden. Sie ist an die Bestandteile eines Atoms gebunden. Eine Ladung wird immer in ihrer Einheit C (Coulomb) angegeben. Ein Coulomb entspricht einer Ampere-Sekunde.

In der Tabelle oben ist die erste Einheit der Elektrotechnik definiert. Sie brauchen davon die Bezeichnung Ladung, das Formelzeichen Q, den Namen und das Zeichen der Einheit C bzw. Coulomb. Wenn Sie die Ladung eines Elektrons angeben, dann tun Sie das so:

Der Zahlenwert entspricht der Elementarladung eines Protons bzw. Elektrons. Aufgrund des negativen Vorzeichens liegt offenbar ein Elektron vor. Atome und Moleküle bestehen aus Elektronen und Protonen. Sie weisen Ladungszustände auf, die auf Mangel oder Überschuss aus Elektronen basieren. Es gibt auch elektrisch neutrale Körper, in denen sich die gleiche Anzahl positiv geladener Protonen und negativ geladener Elektronen befindet. Dann gibt es elektrisch positiv und elektrisch negativ geladene Körper.

Ähnlich wie ein Magnet ein Stück Eisen anzieht, wirken auch anziehende und abstoßende Kräfte auf Ladungen.

Eine positive Ladung zieht eine negative Ladung an. Sie stößt eine andere positive Ladung ab. Eine negative Ladung zieht eine positive Ladung an und stößt eine andere negative Ladung ab. Anziehung und Abstoßung erfolgen in einem Körper voller Elektronen und Protonen ständig, denn jede Ladung wirkt auf alle anderen Ladungen in Ihrer Umgebung.

Gleichnamige Ladungen (- und – bzw. + und +) stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Die Richtung der Kraft kann mathematisch bestimmt werden, indem das Produkt der Ladungen gebildet wird. Ist das Produkt positiv sind die Ladungen gleich, sie stoßen sich also ab. Ist das Produkt negativ, dann ist eine positive und eine negative Ladung im Spiel, dann ziehen diese Ladungen sich an.

Protonen sind ortsfest, also (auf atomarer Ebene) unbeweglich. Elektronen sind beweglich, ihre Bewegung kann technisch gesteuert werden. Deshalb konzentrieren wir uns auf Elektronen, denn wir wollen Ladungen trennen. Dafür müssen wir sie aus ihrer ursprünglichen Position herausbewegen.

So wie die potentielle Energie eines Körpers erhöht wird, wenn dieser angehoben wird, so wird die elektrische Energie dadurch erhöht, dass ein zuvor ausgeglichener Ladungszustand ins Ungleichgewicht gebracht wird. Betrachten wir als Modell zwei elektrisch neutrale Körper im Raum.

Die Körper sind beide elektrisch neutral, denn sie weisen die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen auf.

Jetzt betreiben wir Ladungstrennung. Dem rechten Körper wird ein Elektron entzogen. Es wird auf den linken Körper bewegt.

Um Ladung zu trennen (und damit den Energiezustand beider Körper zu erhöhen), muss dem System Energie zugeführt werden. Es erfordert eine Kraft F, um die Ladung zu bewegen und damit zu trennen. Damit die Ladung von einem Körper auf den anderen wandern kann, muss dafür ein Weg zwischen den Körpern geschaffen werden. Ladung bewegt sich nicht durch Luft, sondern nur durch geeignete Materialien.

Nach der Ladungstrennung wird der Verbindungsweg im Gedankenmodell wieder beseitigt. Nun ist im linken Körper ein Elektron zu viel, und im rechten Körper ein Elektron zu wenig vorhanden. Der linke Körper ist negativ geladen, der rechte positiv. Es wirkt zwischen den ungleich geladenen Körpern eine anziehende Kraft. Die neue Anziehungskraft entspricht genau der Kraft, die zuvor in die Ladungstrennung investiert worden ist.

Anschaulich gesprochen: Das Elektron will zurück. Physikalisch gesprochen: Jedes System strebt den Zustand geringster Energie an. Auf bewegliche Teile wirkt immer eine Kraft in die Richtung, in der der Energiezustand des Systems nach einer Bewegung minimal wäre.

Betrachten wir als Analogie einen Stein in einem Zimmer, der von einem Menschen hochgehoben wird. Es wirkt die Gravitationskraft auf einen Stein in Richtung unten (also zum Erdmittelpunkt hin). Der geringste erreichbare Energiezustand dieses Steins hinsichtlich seiner potentiellen Energie wäre erreicht, wenn der Stein auf dem Boden des Zimmers liegen würde (oder gerne noch weiter darunter, geht aber im Zimmer nicht). Dann wäre die Energie mit der kleinsten möglichen Höhe h minimal.

Wird ein Weg geschaffen, so dass sich der Stein bewegen kann (der Mensch lässt ihn los), dann führt die Gravitationskraft zu einer Bewegung des Steins in Richtung Boden, weil er dort im Zustand geringster potentieller Energie ist. Die Kraft für diese Bewegung nach unten ist genauso groß wie die Kraft, mit der der Stein vorher angehoben wurde.

Es gilt allgemein: Wenn wir eine Kraft F aufwenden, um die Energie in einem System zu steigern, wirkt anschließend genau diese Kraft entgegengesetzt, um den alten Zustand wiederherzustellen. Nach einer Ladungstrennung ist die Energie im System höher als vor der Ladungstrennung. Also brauchen wir eine Kraft F, um die Ladung überhaupt zu trennen. Danach wirkt auf die getrennten Ladungen immer die gleiche Kraft F dahin gerichtet, dass die Ladungstrennung wieder aufgehoben wird.

Diese Ladungs-Kräfte nutzen wir in der Elektrotechnik z. B. für das Antreiben eines Elektroautos. Wir trennen erst Ladung. Dann speichern wir die erhöhte Energie durch getrennte Ladung. z. B. in einer Batterie. Anschließend geben Sie im Elektroauto Gas, und die Kraft der Ladungstrennung beschleunigt Ihr Auto.

Weitere Quellen:

Leifi Physik Atomphysik, Relevant zunächst nur bis Abbildung 6.
Leifi Physik Ladung
Youtube Video 1
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