Ladung und Feld

Im folgenden Kapitel soll näher auf die “elektrische Ladung” eingegangen werden. Warum ist das Verständnis über die elektrische Ladung so wichtig. Ganz einfach: Die elektrische Ladung ist in der Elektrizitätslehre das zentrale Element vergleichbar mit der Masse im Bereich der Mechanik. Elektrische Ladungen sind an Ladungsträger gebunden und beeinflussen wesentliche Eigenschaften von Stoffen (z.B. elektrische Ströme haben die Entstehung eines Magnetfeldes zur Folge)

Unterscheidung “Elektrostatik” und “Elektrodynamik”

• Ladungsträger können unbewegt sein, die zugehörigen Phänomene gehören zum Fachgebiet “Elektrostatik”. Dabei geht es um Phänomene, bei denen kein elektrischer Strom fließt (kein Transport von Ladungsträger).
• Ladungsträger können bewegt sein, die zugehörigen Phänomene gehören zum Fachgebiet “Elektrodynamik” und befassen sich mit Phänomenen, bei denen elektrischer Strom fließt, z.B. Induktion.

Was sind Ladungen?

Wie bereits erwähnt, sind Ladungen an frei bewegliche Ladungsträger gebunden. Die “elektrische Ladung” tritt in zwei verschiedenen “Formen” auf, entweder als positive oder als negative Ladung. Dabei gibt es zwei Arten von Ladungsträger:

• Elektronen, die sich (normal) in der Atomhülle von Atomen befinden, aber auch von Atomen abgegeben werden können (z.B. bei der Metallbindung).
• Geladene Atome (Ionen), die entstehen, wenn ein neutrales Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt (um die Edelgaskonfiguration zu erfüllen).

Darüber hinaus können Ladungsträger frei beweglich oder fest gebunden (z.B. Elektronen in der Atomhülle eines Moleküls oder Ionen im Ionengitter von Salzen) sein. Somit gibt es auch zwei Möglichkeiten, verfügt der “Stoff” über frei-bewegliche Ladungsträger so handelt es sich um einen elektrischen Leiter, im anderen Fall spricht man von einem Nichtleiter (Isolator, z.B. Salze im festen Zustand).

Gesetzmäßigkeiten der elektrischen Ladung

• Die Ladung kann nur stets bestimmte Werte annehmen (man spricht hierbei von Quantelung). Die Ladung tritt nur in ganzen Vielfachen der Elementarladung auf, die 1,6 · 10^-19 C beträgt.
• Gleichnamige Ladungen (z.B. + und +) stoßen sich ab, während sich ungleichnamige anziehen.
• Zwischen zwei Ladungen wirken Kräfte. Dieses Kraftgesetz ist durch das Coulomb-Gesetz gegeben (Achtung: dies gilt nur, wenn sich die Ladungen nicht in einem Magnetfeld befinden).

Ladung und Feld

Wie einige sicher bereits erkannt haben, ähnelt das Coulomb-Gesetz dem Gravitationsgesetz. Dies lässt sich in einem Vergleich veranschaulichen: Jede Masse erzeugt ein Schwerefeld um sich herum erzeugt (z.B. bei der Erde als Erdbeschleunigung), so bewirkt auch jede elektrische Ladung ein elektrisches Feld, dass in alle Richtungen gerichtet ist, wofür folgende Formel verwendet werden kann:

Für ein elektrisches Feld einer oder mehrerer Ladungen kann man auch ein sog. Kraftlinienbild konstruieren. In diesem “Bild”  wird die Richtung einer Linie an jedem Ort und die Richtung der Feldwirkung veranschaulicht. Hierbei gibt es drei vorstellbare Möglichkeiten bei (gleicher Ladung):

Das elektrische Feld einer Punktladung, das Feld zwischen ungleichnamigen und das Feld zwischen gleichnamigen Ladungen.

 

---

Ladung und Feld – Testfragen/-aufgaben

1.

Was versteht man unter der Ladung in Bezug auf die Physik?

Die Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Elementarteilchen, die bestimmt, wie diese auf elektrische und magnetische Felder reagieren. Es gibt positive und negative Ladungen, wobei gleichartige Ladungen sich abstoßen und ungleichartige Ladungen sich anziehen. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C).

2.

Was ist ein elektrisches Feld?

Ein elektrisches Feld ist ein Bereich um eine elektrische Ladung herum, in dem eine Kraft auf andere elektrische Ladungen ausgeübt wird. Es wird durch die Ausrichtung und Größe der Feldlinien dargestellt.

3.

Wie hängen Ladung und Feld zusammen?

Die Ladung erzeugt eine Kraft, die das Feld beeinflusst. Umgekehrt repräsentiert das Feld die Kraft, die eine Ladung auf eine andere Ladung ausübt.

4.

Wie wird die Kraft zwischen zwei Ladungen berechnet?

Die Kraft zwischen zwei Ladungen wird mit Coulombs Gesetz berechnet. Es lautet F = k * |q1*q2| / r², wobei F die Kraft, q1 und q2 die Ladungen, r der Abstand zwischen den Ladungen und k die Coulomb-Konstante ist.

5.

Kann ein magnetisches Feld auch durch Ladungen erzeugt werden?

Ja, ein magnetisches Feld kann durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt werden.

6.

Was ist der Unterschied zwischen einem elektrischen Feld und einem magnetischen Feld?

Ein elektrisches Feld entsteht durch ruhende Ladungen, während ein magnetisches Feld durch bewegende Ladungen entsteht.

7.

Was ist eine Feldlinie und was stellt sie dar?

Ein Feldlinie ist eine gedachte Linie in einem Feld, deren Tangente in jedem Punkt die Richtung der Feldstärke angibt. Die Anzahl der Feldlinien pro Fläche ist ein Maß für die Feldstärke.

8.

Wie wird das elektrische Feld zwischen zwei Platten eines Plattenkondensators dargestellt?

Das elektrische Feld eines Plattenkondensators wird durch gerade, parallele Feldlinien dargestellt, die von der positiv geladenen zur negativ geladenen Platte verlaufen.

9.

Was besagt das Gauss’sche Gesetz in Bezug auf elektrische Felder und Ladungen?

Das Gauss’sche Gesetz besagt, dass der Fluss des elektrischen Feldes durch eine geschlossene Oberfläche proportional zur eingeschlossenen elektrischen Ladung ist.

10.

Was passiert, wenn zwei gleichartige Ladungen aufeinandertreffen? Und was passiert bei ungleichen Ladungen?

Wenn zwei gleichartige Ladungen aufeinandertreffen, stoßen sie sich ab. Bei ungleichen Ladungen ziehen sie sich an.