Ladungen & elektrisches Feld

Woher kommt die elektrische Ladung?

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Die gesamte uns bekannte Materie besteht aus lediglich drei verschiedenen Teilchensorten, die in Abb. 1 schematisch dargestellt sind:

• Neutronen und Protonen sind relativ groß und schwer, aus ihnen sind die Atomkerne aufgebaut. Zum Beispiel befinden sich im Kern eines Kohlenstoffatoms 6 Neutronen und 6 Protonen.
• Elektronen sind relativ klein und leicht, sie bilden die Atomhüllen. In der Hülle des Kohlenstoffatoms befinden sich zum Beispiel 6 Elektronen.

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Zwischen den verschiedenen Teilchensorten wirken nun unterschiedliche Kräfte:

• Zwischen allen Teilchenarten wirkt - weil die Teilchen alle eine Masse besitzen - die Gravitationskraft. Die Gravitationskraft ist aber im Vergleich zur Kernkraft und zur elektrischen Kraft so klein, dass sie in diesem Zusammenhang keine Rolle spielt.
• Zwischen Neutronen und Protonen wirkt die sogenannte Kernkraft. Die Kernkraft werden wir in einem späteren Jahrgang genauer untersuchen.
• Zwischen Protonen und Elektronen wirkt die sogenannte elektrische Kraft. Diese elektrische Kraft zwischen den Teilchenarten ist in Abb. 2 dargestellt:
  • Protonen stoßen sich gegenseitig ab.
  • Elektronen stoßen sich gegenseitig ab.
  • Protonen und Elektronen ziehen sich gegenseitig an.

Bemerkenswert ist, dass die elektrische Kraft zwischen zwei Protonen genau so groß ist wie die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen, obwohl diese unterschiedlich groß und schwer sind.

Hinweise

• Durch die anziehende Kernkraft zwischen Neutronen und Protonen wird der Atomkern zusammengehalten.
• Durch die anziehende elektrische Kraft zwischen Protonen und Elektronen werden der Atomkern und die Atomhülle zusammengehalten.

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Die gegenseitige Abstoßung und Anziehung von Protonen und Elektronen erklären wir damit, dass diese Teilchen die besondere Eigenschaft haben, elektrisch geladen zu sein. Wir sagen auch oft, dass sie eine elektrische Ladung tragen. Neutronen haben diese Eigenschaft nicht, sie tragen keine elektrische Ladung. Zwischen einem Neutron und einem Proton oder einem Elektron wirkt keine elektrische Kraft.

Aus der Tatsache, dass sich zwei Protonen bzw. zwei Elektronen gegenseitig abstoßen, ein Proton und ein Elektron dagegen gegenseitig anziehen (vgl. Abb 2), haben Physiker geschlossen, dass es zwei unterschiedliche Arten von elektrischer Ladung gibt:

• Protonen tragen immer eine positive Ladung, sie sind immer positiv geladen. Positiv geladene Körper färben wir meistens rot.
• Elektronen tragen immer eine negative Ladung, sie sind immer negativ geladen. Negativ geladene Körper färben wir meistens blau.
• Neutronen tragen niemals eine elektrische Ladung, sie sind immer elektrisch neutral. Elektrisch neutrale Körper färben wir meistens grau.

Da Protonen und Elektronen elektrisch geladen sind bezeichnen wir sie oft auch als positive bzw. negative Ladungsträger.

Wie wir oben gesehen haben ist die elektrische Kraft zwischen zwei Protonen genau so groß wie die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen. Der Grund dafür ist, dass die Elektronen genau so stark negativ geladen sind wie die Protonen positiv geladen sind. Die Stärke der Ladung eines einzelnen Protons bzw. eines einzelnen Elektrons ist winzig klein. Wir bezeichnen den Betrag dieser Ladung in der Physik mit \(e\) (für Elementarladung). Alle Protonen tragen somit die Ladung \(+1\,e\), alle Elektronen tragen die Ladung \(-1\,e\). Dies ist in Abb. 3 schematisch dargestellt.

Wann ist ein Körper elektrisch neutral und wann elektrisch geladen?

Ob ein Körper elektrisch neutral oder elektrisch geladen ist, entscheidet sich ausschließlich durch die Anzahl an Protonen und Elektronen, die sich in dem Körper selbst und möglicherweise zusätzlich auch noch auf seiner Oberfläche befinden.

• Normalerweise befinden sich in jedem Körper gleich viele Protonen und Elektronen. Da die Ladungen der Protonen und Elektronen gleich groß, aber entgegengesetzt sind, gleichen sich die Ladungen gegenseitig aus und die gesamte elektrische Ladung ist \(0\): Der Körper ist elektrisch neutral.
• Befinden sich jedoch in und auf einem Körper mehr Elektronen als Protonen, gleichen sich die Ladung nicht mehr aus. Da die Elektronen negativ geladen sind ergibt sich insgesamt eine negative elektrische Ladung: Der Körper ist negativ geladen.
• Befinden sich dagegen in und auf einem Körper mehr Protonen als Elektronen, ergibt sich insgesamt eine positive elektrische Ladung: der Körper ist positiv geladen.

Da sich Protonen praktisch nicht aus Atomkernen herauslösen lassen, ist die Anzahl der Protonen in einem Körper in der Regel konstant. Elektronen in den Atomhüllen besonders bei Metallen lassen sich dagegen leicht aus diesen entfernen und auf andere Körper, meist auf deren Oberfläche übertragen. Dies bedeutet praktisch:

• Ist ein Körper negativ geladen, dann trägt er mehr Elektronen als Protonen; wir sprechen von einem Elekronenüberschuss.
• Ist ein Körper dagegen positiv geladen, dann trägt er weniger Elektronen als Protonen; wir sprechen von einem Elektronenmangel.

In und auf der Erde befinden sich unglaublich viele Protonen und Elektronen, und zwar fast gleich viele. Auch wenn sich ein paar Elektronen mehr oder weniger in oder auf der Erde befinden ändert sich daran praktisch nichts: Die Erde ist immer elektrisch neutral.

Wie misst man die Stärke der elektrischen Ladung eines Körpers?

Wenn die elektrische Ladung eines Körpers durch den Unterschied zwischen der Anzahl von Protonen und Elektronen in und auf einem Körper bestimmt ist, dann ist es vernünftig, die Stärke der Ladung eines Körpers durch die Größe dieses Unterschieds anzugeben.

Wie misst man die elektrische Ladung praktisch?

In der Praxis ist es natürich nicht möglich, die unterschiedlichen Anzahlen von Protonen und Elektronen in und auf einem Körper zu zählen. Wie misst man nun die elektrische Ladung eines Körpers?