Grundwissen

Atomare Vorstellungen der Elektrizität

Die vielen Erscheinungen der Elektrostatik lassen sich mit einer relativ einfachen Vorstellung über den atomaren Aufbau von Leitern und Isolatoren verstehen.

*Modellvorstellung: Atom* Einer der kleinsten Bausteine der Materie ist das Atom, welches aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle besteht. Im Normalfall ist das Atom nach außen hin neutral (dies soll durch den grauen Kreis symbolisiert werden. Die Entwicklung des Kern-Hülle-Modells vom Atom geht auf den berühmten Physiker E. Rutherford (1871-1937) zurück. Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts hat sich die Vorstellung vom Atom erheblich verändert. Wir benutzen aber trotzdem dieses stark vereinfachte Atommodell, da es ausreicht die elektrostatischen Erscheinungen weitgehend zu verstehen.	neutrales Atom
Entfernt man ein Elektron aus der Atomhülle, so bleibt ein insgesamt positiv geladener Atomrumpf - ein positives Ion - zurück (dies soll durch den rosa Kreis symbolisiert werden).	positives Ion
*Modellvorstellung: Leiter* Gehen nun die Atome (z.B. Kupferatome) eine metallische Bindung ein, so gibt jedes Atom im Mittel ein Elektron ab, welches sich relativ frei zwischen den zurückbleibenden ortsfesten, positiven Atomrümpfen bewegen kann. Insgesamt ist der Leiter neutral. Fahren Sie mit dem Mauszeiger auf die Zeichnung, um den dynamischen Eindruck zu gewinnen.	neutraler Leiter
Wird nun der Leiter negativ aufgeladen, so kommen zu den schon vorhandenen Elektronen weitere hinzu. Es herrscht Elektronenüberschuss.	negativ geladener Leiter
Wird nun der Leiter positiv aufgeladen, so wird ein Teil der schon vorhandenen Elektronen abgezogen. Es herrscht Elektronenmangel.	positiv geladener Leiter
Legt man an die Enden des neutralen Leiters die Pole einer Spannungsquelle, so bewirkt dies eine sogenannte Driftbewegung der beweglichen Elektronen in Richtung des Pluspols. Die Zahl der Elektronen, welche vom Pluspol aufgenommen werden, liefert der Minuspol nach. Insgesamt bleibt der Leiter neutral. Fahren Sie mit dem Mauszeiger auf die Zeichnung, um den dynamischen Eindruck zu gewinnen. Zu diesem Thema gibt es auch eine hübsches Java-Applet vom Gymnasium Ibbenbüren.

Modellvorstellung: Isolator - Polarisation
In Isolatoren sind die Elektronen nicht frei beweglich sondern an ihr jeweiliges Atom gebunden.

Isolator-Atom in verschiedenen Situationen

Modellvorstellung	Isolator-Atom in neutraler Umgebung	Isolator-Atom in der Umgebung einer positiven Ladung	Isolator-Atom in der Umgebung einer negativen Ladung
Modellvorstellung
Vereinfachte Darstellung

Im Normalfall (d.h. bei Abwesenheit anderer geladener Körper) fallen die Schwerpunkte von positiver und negativer Ladung beim Isolator-Atom zusammen, es wirkt nach außen hin neutral. In der Umgebung eines geladenen Körpers verschieben sich die Ladungsschwerpunkte. Das Isolator-Atom wird polarisiert, es entsteht ein elektrischer Dipol.

Legt man an die Enden eines neutralen Isolator-Stückes die Pole einer Spannungsquelle, so bewirkt dies eine Polarisation der Isolator-Atome, die bildlich wie folgt dargestellt werden kann:

Modellvorstellung
Vereinfachte Darstellung

Ergänzende Hinweise:

Elektrische Ladung ist gequantelt
Bei den im Unterricht durchgeführten Experimenten könnte man den Eindruck gewinnen, dass man auf eine Metallkugel jede beliebige Menge an elektrischer Ladung aufbringen kann. Genauere Versuche, welche in der Oberstufe durchgeführt werden, zeigen jedoch, dass Ladung nur als ganzzahliges Vielfaches der sogenannten Elementarladung e vorkommt.

e = 1,6·10^-19 As = 1,6·10^-19 C

Ein Elektron trägt die negative Ladung q_e = -1,6·10^-19 As
Ein Proton trägt die positive Ladung q_p = 1,6·10^-19 As

Elektrische Ladung ist stets an Materie gebunden
Ein Elektron ist zwar unvorstellbar leicht (9,1·10^-31 kg), aber Ladung ohne Materie gibt es nicht.

Ladungserhaltung
Bei allen denkbaren Vorgängen bleibt die Summe aus positiver und negativer Ladung erhalten.

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