Elektrische Ladung/Feld

Durch ein elektrisches Feld wird eine Kraft ausgeübt. Das elektrische Feld ist der besondere Zustand des Raumes (um geladene Körper), in dem Kräfte auf Ladungen wirken. Das elektrische Feld ist träger von Energie. In einem elektrischen Feld wirkt auf jede elektrische Ladung Q eine Kraft F = Q × E.

Atom und Ladung

Elektrische Ladung, Atommodell nach Niels Bohr

Die vorstehende Illustration zeigt ein Modell eines Atoms. Die Abmessungen eines Atoms betragen Ø 1×10-10 m der zugehörige Atomkern hat einen Ø von 1×10-14 m. Die Elektronen sind als einzige beweglich und beschreiten diskrete konzentrische Bahnen (elliptisch bis kreisrund) um den Atomkern. Die Anzahl der Protonen im Atomkern entspricht bei neutral geladenen Körpern immer der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle. Negativ geladene Körper besitzen einen Elektronenüberschuss und positiv geladene Körper einen Elektronenmangel.


Elektrische Ladungen und ihre Wirkung auf andere Ladungen.

Neutral geladene Körper – also ohne Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel - üben aufgrund gleicher Ladung keine Ladungsverschiebung auf andere Ladungen aus. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, unterschiedliche ziehen sich an. Unterschiedlich geladene Körper haben immer das Bestreben nach Ladungsausgleich. Während der Berührung erfolgt ein Elektronenübergang – logischerweise - vom Körper mit Elektronenüberschuss zum Körper mit Elektronenmangel. Elektrisch geladene Körper erkennt man immer an ihrer Wirkung auf andere Ladungen. Elektrische Ladung, neutrale und geladene Körper, Elektronenübergang

Auf- und Entladen von Körpern

Das Auf- und Entladen von Körpern erfolgt anhand von Ladungstrennung bzw. Influenz und dem Elektronenübergang. Bei der Ladungstrennung wirkt immer eine äußere Kraft (ein elektrisches Feld auf elektrische Ladungen) meistens auf die beweglichen Elektronen. Elektrische Ladungen kann man mit einem Elektroskop auf einfachste Weise aufzeigen. Da gleiche Ladungen sich abstoßen zeigt ein Elektroskop vorhandene Ladungen an, jedoch nicht dessen Vorzeichen also ob es sich um Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss handelt. Die nachstehende Abbildung zeigt ein Elektroskop. Bei neutraler Ladung zeigt es keinen Ausschlag des Zeigers. Reibt man mit einem Baumwolltuch an einem Kunststoffstab, so werden Ladungen an der Oberfläche des Stabes verschoben. Führt man diesen Stab nun an das Elektroskop werden durch den Ladungsunterschied die Ladungen im Elektroskop selbst verschoben. Am Zeiger und der Aufhängung herrsch nun Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel – Aufhängung und Zeiger besitzen die gleiche Ladung – sie stoßen sich ab, der Zeiger schlägt aus. Elektroskop bzw. Elektrometer, Nachweis einer elektrischen Ladung

In Metallen sind Elektronen frei beweglich, in Kunststoffen nicht. Deshalb benutzt man Kunststoffe auch als Isolator.

Elektrische Ladung

 
$width=600px Die elektrische Ladung gibt an wie groß der Elektronenüberschuss bzw. der Elektronenmangel ist. Die Ladung eines Elektrons ist die Elementarladung e.   Elektrische Ladung, Protonen, Elektronen

Elektrische Stromstärke

Elektrische Spannung

Die elektrische Stromstärke gibt an wie viele frei bewegliche Ladungen C pro Sekunde s (bzw. welche Ladungsmenge pro Zeiteinheit) durch den Querschnitt eines Leiters wandern. Die elektrische Spannung gibt an wie groß die Potenzialdifferenz zweier Punkte eines elektrischen Feldes ist und wie stark die Ladungen angetrieben werden. Die Ursache ist die Ladungstrennung und somit das Ausgleichsbestreben unterschiedlicher Ladungen.

Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand ist das Mass für die Behinderung der Ladungsträgerbewegung. Die Ladungsträger im Leiter stossen bei ihrer Bewegung mit Atomen und Ionen zusammen wodurch ein Teil ihrer Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird und der Leiter sich erwärmt. Der Widerstand bleibt konstant solange die Temperatur konstant bleibt, er ist außerdem abhängig von der Leiterlänge, dessen Querschnitt und der elektrischen Spannung also der Geschwindigkeit mit dem sich die Ladungsträger bewegen.

Elektrische Ladung, Stromstärke, Spannung, Widerstand

Das Elektrisches Feld und seine Wirkung

Das elektrische Feld wirkt nicht auf Körper sondern auf dessen Ladungen, somit stoßen sich gleiche Ladungen ab und unterschiedliche ziehen sich an. Die Wirkung auf Ladungen neutraler Körper nennt man Influenz, dabei werden die Ladungen nach dem vorher genannten Prinzip verschoben. Die elektrische Feldstärke E bezeichnet die Kraft, die auf ein Probeladung QP im elektrischen Feld Fel wirkt.

Elektrische Ladung, Feldlinienmodell, in- und homogenes elektrisches Feld, Kraftwirkung

Die Feldlinien verlaufen von der positiven zur negativ geladenen Seite wobei die Feldlinien immer Senkrecht (also im rechten Winkel) zur Oberfläche stehen. Der Abstand der Feldlinien ist ein Mass für die Stärke des Feldes. Je kleiner der Abstand desto stärker das Feld.

Faradayscher Käfig

Elektrische Ladung, Faradayscher Käfig

Ein sehr gutes Beispiel für die Influenz bzw. Ladungsverschiebung ist der Faradaysche-Käfig. Hier wird die Kraftwirkung auf die Ladungen besonders deutlich. Durch das äussere elektrische Feld werden im Metall Ladungen verschoben (Influenz). Das Gegenfeld im Inneren hebt das äussere Feld auf, dadurch ist das innere Feldfrei.

So wäre im idealen Faradayschen-Käfig, der allseitig geschlossen und aus elektrisch leitenden Material besteht, zum Beispiel kein Mobilfunk oder Radioempfang möglich. Auf diesen Grundlagen ist man bei einem Blitzschlag im inneren eines Autos am sichersten, da der Innenraum relativ Feldfrei bleibt. Die Abschirmung von elektrischen Leitern bedient sich ebenfalls diesem Prinzip.

Die elektrische Feldstärke

Die elektrische Feldstärke E bezeichnet die Kraft, die auf ein Probeladung QP im elektrischen Feld Fel wirkt.

QP bezeichnet die Kraft des elektrichen Feldes Fel.
ladung_im_el_feldAuf die Ladung Q wirkt im elekrischen Feld eine Karft F, dadurch wird die Ladung bewegt, es wird Arbeit W verrichtet. Eine mechanische Arbeit wird verrichtet wenn durch eine Kraft ein Körper bewegt oder verformt wird. Energie ist eine Zustands- und Arbeit eine Verrichtungsgrösse. Die elektrische Feldstärke ist abhängig vom Abstand zweier Körper sowie der elektrischen Spannung. Die Feldstärke im homogenem Feld

[Beispielaufgabe]

Gegeben:

Gesucht:

Lösung:

faradayscher_kaefig