Ladung als Eigenschaft der Materie
Die elektrische Ladung ist eine Grundeigenschaft der Materie — so wie die Masse. Man beschreibt sie über ihre Wirkung: Geladene Körper üben Kräfte aufeinander aus, ohne sich zu berühren.
- Elektrische Ladung
- Grundeigenschaft der Materie. Formelzeichen Q, Einheit Coulomb: \([Q]=\mathrm{C}\).
- Ladungsregel
- Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- Zwei Sorten:Positiv (Protonen) und negativ (Elektronen).
- Neutral ≠ ladungsfrei:Ein neutraler Körper enthält gleich viele positive wie negative Ladungen — verschwunden sind sie nicht.
- Stärke der Kraft:Größer bei größeren Ladungen, kleiner bei größerem Abstand: F ∝ 1/r².
| Situation | Folge |
|---|---|
| gleichnamige Ladungen (+/+ oder −/−) | stoßen sich ab |
| ungleichnamige Ladungen (+/−) | ziehen sich an |
| Abstand verdoppelt | Kraft nur noch ein Viertel (\(F \propto \dfrac{1}{r^2}\)) |
| eine Ladung verdoppelt | Kraft verdoppelt |
Richtung und Stärke der Kraft hängen vom Vorzeichen der beiden Ladungen und vom Abstand ab.
Die Elementarladung e
Ladung lässt sich nicht beliebig fein aufteilen. Jede messbare Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der kleinsten Portion, der Elementarladung.
Quantelung: Zwischen zwei benachbarten Ladungswerten liegt nichts. Jede Ladung lässt sich als \(Q=n\cdot e\) mit ganzzahligem \(n\) schreiben — eine Ladung von \(2{,}5\,e\) kann es nicht geben.
- Elementarladung e
- Kleinste vorkommende Ladungsportion, \(e = 1{,}602\cdot10^{-19}\,\text{C}\) — Betrag der Ladung eines Elektrons oder Protons.
- Ladungserhaltung
- Ladung kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur getrennt und verschoben.
- Gequantelt:Jede Ladung ist \(n \cdot e\) mit ganzzahligem n. Halbe Elementarladungen gibt es nicht.
- Reiben trennt:Beim Reiben wandern Elektronen von einem Körper zum anderen. Was der eine verliert, gewinnt der andere.
- Vorzeichen aus der Bilanz:Elektronenüberschuss → negativ, Elektronenmangel → positiv. Protonen wandern nicht.
Ladungsmengen berechnen
Aus der Quantelung folgt unmittelbar die Rechenvorschrift. Beide Richtungen — von der Anzahl zur Ladung und zurück — kommen gleich häufig vor.
Ladung aus Elementarladungen
Was 1 Coulomb bedeutet: Das Coulomb ist über den Strom festgelegt. Fließt genau eine Sekunde lang ein Strom von einem Ampere, so ist dabei genau ein Coulomb an Ladung transportiert worden.
Wie groß das ist, zeigt der Alltag: Ein geriebener Luftballon trägt nur einige Nanocoulomb \(\left(1\,\mathrm{nC}=10^{-9}\,\mathrm{C}\right)\). Ein voller Handyakku mit 3000 mAh liefert dagegen rund \(10\,800\,\mathrm{C}\) — im Stromkreis ist ein Coulomb also eine gewöhnliche Portion, in der Elektrostatik eine gewaltige.
| Größe | Zeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Elektrische Ladung | \(Q\) | \([Q]=\mathrm{C}\) Coulomb |
| Elementarladung | e | \(1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{C}\) |
| Anzahl der Elementarladungen | n | — (reine Zahl) |
| Gesucht | Gegeben | Rechnung | Ergebnis |
|---|---|---|---|
| Q | \(n = 2{,}5\cdot10^{13}\) | \(Q = n \cdot e = 2{,}5\cdot10^{13} \cdot 1{,}602\cdot10^{-19}\,\text{C}\) | \(4{,}005\cdot10^{-6}\,\text{C}\) |
| n | \(Q = 4{,}806\cdot10^{-6}\,\text{C}\) | \(n = Q : e = 4{,}806\cdot10^{-6} : 1{,}602\cdot10^{-19}\) | \(3\cdot10^{13}\) |
- Betrag benutzen:Bei \(n = Q : e\) wird mit dem Betrag von Q gerechnet — eine Teilchenzahl ist nie negativ.
- Zehnerpotenzen:Malnehmen → Vorfaktoren multiplizieren, Exponenten addieren. Teilen → Vorfaktoren dividieren, Exponenten subtrahieren.
- Größenordnung:1 C ist riesig. Alltagsladungen (geriebener Luftballon, Pullover) liegen eher im Nanocoulomb-Bereich.
Allgemeine Hinweise
Keine halbe Elementarladung
Jede Ladung ist \(Q=n\cdot e\) mit ganzzahligem \(n\). Kommt bei \(n=Q:e\) keine nahezu ganze Zahl heraus, steckt der Fehler meist in einer Vorsilbe wie \(\mathrm{nC}\) oder \(\mu\mathrm C\).
Teilchenzahl immer positiv
Bei \(n=Q:e\) rechnest du mit dem Betrag von \(Q\) — eine Anzahl ist nie negativ. Das Vorzeichen kommt getrennt aus der Bilanz: Elektronenüberschuss negativ, Elektronenmangel positiv.
Zehnerpotenzen getrennt rechnen
Vorfaktoren multiplizieren, Exponenten addieren. Als Plausibilitätsprobe hilft \(1\,\mathrm C\approx6{,}24\cdot10^{18}\,e\): Alltagsladungen liegen bei Nanocoulomb.
