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.