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Grundwissen

Ladungseigenschaften

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Zwei Arten von Ladung

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Es gibt zwei verschiedene Ladungsarten, die positive Ladung (oft modellhaft rot gekennzeichnet) und die negative Ladung (oft modellhaft blau gekennzeichnet). Die modellhaft Farbe hat dabei nichts mit der wirklichen Farbe der Teilchen zu tun.

Kraft zwischen geladenen Körpern

Abb. 2 Kraft zwischen geladenen Körpern

Das Grundgesetz der Elektrostatik, der Lehre von den ruhenden Ladungen besagt: Zwei geladene Körper üben eine Kraft aufeinander aus. Gleichnamig geladene Körper stoßen sich ab, ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an.

Mit zunehmendem Abstand der geladenen Körper nimmt dieser Kraftbetrag ab. Je größer die Entfernung der geladenen Körper voneinander ist, desto kleiner ist also die Kraftwirkung.

Freie Beweglichkeit von Ladungen in Leitern (z.B. Metallen)

Abb. 3 Freie Beweglichkeit von Ladunge in Leitern wie z.B. Metallen

In Leitern können sich die negativen Ladungen weitgehend frei bewegen. Berührt man z.B. den ungeladenen Metallzylinder mit einer negativ geladenen Kugel an der linken Seite, so verteilen sich die negativen Ladungen sofort auf den ganzen Zylinder. Die an Seidenfäden aufgehängten Kügelchen stoßen sich ab und zeigen an, dass z.B. auch ganz rechts nach der Berührung negative Ladung sitzt.

Vorsicht: Die Animation rechts ist stark verlangsamt, um dir das Prinzip zu verdeutlichen! In Realität läuft der Prozess viel schneller ab.

Ladungsnachweis mit dem Elektroskop

Abb. 4 Aufbau und Funktionsweise eines Elektroskops

Ein Elektroskop besteht aus einem metallischen Gehäuse, in das isoliert ein metallisches Gestänge mit drehbarem Zeiger eingebaut ist.

Die Funktionsweise des Elektroskops basiert auf der abstoßenden Kraft zwischen gleichnamigen Ladungen. Bringt man auf den Teller des Elektroskops z.B. negative Ladungen, so verteilen sich diese auch auf das Gestänge und den Zeiger. Der drehbar gelagerte Zeiger wird vom gleichnamigen Gestänge abgestoßen, es kommt zu einem Ausschlag (1. Ladungsnachweis). Der Zeigerausschlag wächst mit der auf den Teller gebrachten Ladungsmenge (Additivität der elektrischen Ladung).

Hinweis: Die Animation in Abb. 3 zeigt die Verhältnisse am Elektroskop stark vergröbert. Für eine genauere Betrachtungsweise muss man noch das Phänomen der Influenz am Gehäuse berücksichtigen.

Positive und negative Ladungen können sich in ihrer Wirkung aufheben

Abb. 5 Entgegengesetzte, gleichgroße Ladungen neutralisieren sich

Lädt man ein Elektroskop zum Beispiel positiv auf, so schlägt es aus. Bringt man nun mit einer Metallkugel gleich viel negative Ladung auf den Teller des Elektroskops, so geht dessen Ausschlag gerade wieder zurück.

Die ursprüngliche Wirkung der positiven Ladungen wird aufgehoben, das Elektroskop ist neutral. Bringt man noch mehr negative Ladung auf, so kommt es wieder zu einem Ausschlag des Elektroskops.

Bei geladenen Leitern sitzt die Ladung auf der Außenfläche

Abb. 6 Ladungen auf der Oberfläche eines Leiters befinden sich nur auf dessen Außenfläche

Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, ordnen sich gleichnamige Ladungen möglichst weit voneinander entfernt an. Bei hohlen Leitern befinden sich daher die Ladungen auf der Außenfläche. An der Innenfläche sitzen keine Ladungen. Dementsprechend kannst du nur an der Außenfläche eines geladenen Bechers Ladung abgreifen und mittels Elektroskop nachweisen. Da auf den Innenflächen keine Ladungen sitzen, kannst du hier keine abgreifen.

Das Innere des metallischen Hohlkörpers ist daher feldfrei. Man bezeichnet einen solchen Körper als FARADAYschen Käfig.

Hinweis: An den Stellen des Leiters mit kleinem Krümmungsradius (Kanten, Spitzen usw.) ist die Ladungsdichte besonders groß. Es entsteht der Effekt der Spitzenwirkung.

Elektrische Influenz am Isolator

Abb. 7 Influenzwirkung eines geladenen Körpers bei einem Isolator

Eine Folge der Kraftwirkung zwischen geladenen Körpern ist die Influenz.

Bringt man in die Nähe eines neutralen, nichtleitenden Körpers (Isolator) einen geladenen Körper, so kommt es im Isolator zu einer geringfügigen Verschiebung der in ihm vorhanden positiven und negativen Ladungen. Diesen Vorgang nennt man elektrische Influenz.

Influenz in einem Leiter

Abb. 8 Influenz in einem elektrischen Leiter durch eine andere Ladung

Bringt man in die Nähe eines Bandgenerators zwei in Kontakt befindliche, neutrale Leiter, z.B. zwei sich berührende Metallplatten, so kommt es in diesen Metallplatten zu einer Trennung der in ihnen vorhanden positiven und negativen Ladungen. Im Gegensatz zur Influenz beim Isolator können durch Trennung der Platten unterschiedlich geladene Leiter hergestellt werden. Vergleiche hierzu auch die Versuche zur Influenz und den Versuch mit dem Elektroskop.