Ladungen 1 Elektrostatik Bereits im Altertum wusste man

Ladungen 1

Elektrostatik Bereits im Altertum wusste man, dass geriebener Bernstein (griechisch: elektron) leichte Körper anzieht. „Reibungselektrizität“ Versuch: Streiche Luftballone mit einem Glasstab! 1. Glasstab mit Seide, Leder reiben. 2. Glasstab mit Fell, Wolle reiben. Bei Annäherung gibt es zwei Möglichkeiten: • • Luftballone ziehen sich an Luftballone stoßen sich ab Elektronenaffinität: Vermögen eines neutralen Isolators, Elektronen aufzunehmen (z. B. Teflon, Poly. Tetra. Fluor. Ethylen) Daraus schloß man, dass es zwei verschiedene Typen von Ladungen geben muss. Georg Christoph Lichtenberg (1778) legte (willkürlich) die beiden Ladungsarten als „+“ und „-“ fest. (Fall 1. gibt positiven und Fall 2. gibt negativen Ladungsüberschuß). • • Körper mit gleicher Ladung stoßen einander ab Körper mit ungleicher Ladung ziehen einander an 2

Die Natur der Ladung „ … The conception of electrical particles or atoms goes back … to Benjamin Franklin who wrote about 1750: "The electrical matter consists of particles extremely subtle since it can permeate common matter, even the densest, with such freedom and ease as not to receive any appreciable resistance. “ …. “ Robert A. Millikan, Nobel-Vortrag am 23. Mai 1924 www. nobelprize. org 3

Die Elementarladung • Da die elektrische Kraft, die ein geladener Körper in einem elektrischen Feld erfährt, von der Ladung des Körpers und der Feldstärke abhängt, kann bei bekannter Kraft bzw. Feldstärke die Ladung des Körpers bestimmt werden. • Diese Messmethode hat der amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan (1910) benutzt, um die winzigen Ladungen kleiner Öltröpfchen zu bestimmen. • Millikan erhielt 1923 für den Nachweis der Quantelung der elektrischen Ladung (Elementarladung) den Nobelpreis. 4

Bei der Ermittlung der Ladung von einzelnen Öltröpfchen kam Millikan immer wieder auf ganz bestimmte Werte, die sich jeweils als ganzzahlige Vielfache einer Elementarladung e = 1, 602 • 10 -19 C zeigten. http: //www. roro-seiten. de Diese Ergebnis zeigt, dass es eine kleinste, immer gleiche Ladung e gibt, von der alle Ladungen Q ganzzahlige Vielfache sind: Q = n • e 5

Rutherfords Atommodell • • In den Jahren 1903 - 1913 führte Ernest Rutherford seine Streuexperimente durch, um die Masseverteilung in einem Atom zu bestimmen, indem er Goldfolie mit geladenen Teilchen beschoss. Er beobachtete, daß die allermeisten ungehindert durch die Folie hindurchgingen. daß einige wenige rückwärts gestreut wurden. daß einige, wie bei ungleichen Ladungen, aus ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt wurden. Erkenntnisse: • Atome haben viel „leeren Raum“. • Die stärkste Streuwirkung wird durch „Atomkerne“ verursacht: Ø mechanischer Stoß zeigt, daß nahezu die gesamte Masse im Atomkern konzentriert ist („Kirschkern im Eifelturm“). Ø elektrische Ablenkung zeigt, daß die gesamte positive Ladung des Atoms der Atomkern trägt. Also: Die gesamte negative Ladung trägt die Atomhülle. 6

Schalenstrukturmodell • Atome geben leicht Elektronen ab bzw. nehmen leicht Elektronen auf, wenn die dadurch entstehenden Ionen eine äußere Schale mit 8 Atomen aufweisen („Oktettregel“ für C, N, O und F; „äußere Schale“ = Hauptquantenzahl). • Diesen energetisch günstigen Zustand nennt man „Edelgaskonfiguration“. • Die Wertigkeit gibt an, ob und wie viele Elektronen angenommen oder abgegeben werden, um diesen Zustand zu erreichen. Calcium: 2 -wertig Chlor: 1 -wertig 7

Ladungen auf leitenden Oberflächen • Auf leitenden Oberflächen sind Ladungen frei beweglich. • Gleichnamige Ladungen verteilen sich aufgrund der abstoßenden Kraftwirkung gleichmäßig. Die hat zur Folge: • Feldverstärkung an Spitzen (Blitzableiter) • Ladungen sitzen auf leitenden Hohlkörpern stets außen (Faraday‘scher Käfig) Juni 1902 8

Natürlicher Ladungsausgleich – Der Blitz • • • Aufwinde im Inneren der Gewitterwolke bewirken eine Ladungstrennung. Am oberen Rand befinden sich positiv geladene Eiskristalle, am unteren Rand negativ geladene Wassertröpfchen. Ladungsaustausch zwischen Eiskristallen und Wassertröpfchen „Wolkenblitz“ • Ladungsaustausch zwischen Wolke und Erde „Erdblitz“ Um den Blitz wird die Umgebungsluft bis auf 30. 000°C erhitzt und dehnt sich dabei explosionsartig aus. Donner 9

Kraftfeld einer Ladung: elektrisches Feld Für die Darstellung elektrischer Felder durch Feldlinienbilder gelten folgende Festlegungen: • Die elektrischen Feldlinien beginnen auf positiven Ladungen und enden auf negativen. • Auf Leiteroberflächen stehen Feldlinien stets senkrecht. • In einem elektrischen Feld schneiden sich Feldlinien nicht. • Die Größe des elektrischen Feldes (Feldstärke) wird durch die Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit (Feldliniendichte) dargestellt. 10

Ladungsnachweis mit dem Elektroskop • Mit dem Elektroskop können Ladungen nachgewiesen bzw. verglichen werden. • Die Aufladung erfolgt durch „Abstreifen“. • Die aufgetragene Ladung verteilt sich gleichmäßig auf einem fest stehenden Metallstab und einem leicht drehbaren Metallzeiger. • Der bewegliche Zeiger spreizt sich vom Stab weg, weil Stab und Zeiger gleichartig geladen sind. 11

Influenz auf elektrischen Leitern a) b) Metallkörper (MK) aus zwei Teilen. Positiv geladener Stab wird angenähert und beeinflußt (Influenz) die Ladungen des MK. Elektronenüberschuß auf dem linken Teil (nur Überschußladungen sind gezeichnet!) c) d) Teile werden getrennt, vor Entfernung des Stabes! Jetzt wird der Stab entfernt. Beide Teile werden wieder vereinigt. Die Elektroskope fallen auf 0 zurück. Ergebnis: „Teile waren tatsächlich gegengleich geladen !“ 12

Strom als Bewegung von Ladungen • Strom ist definiert als die Bewegung von Ladungen. Physikalische Stromrichtung: negative Ladungen bewegen sich von Minus nach Plus (Technische Stromrichtung: „positive Ladungen bewegen“ sich von Plus nach Minus) • Die Menge der Ladungen, die pro Zeiteinheit eine Meßstelle passiert, bezeichnet man als Stromstärke. • Sie ist Basisgröße des Internationalen Einheitensystems und wird in Ampere (A) gemessen. • Ein Ampere ist die Stärke eines elektrischen Stromes, bei dem pro Sekunde eine Ladungsmenge von 1 C eine Meßstelle passiert. • Symbol: I • Maßeinheit: [I] = [Q] / [t] = 1 C/s = 1 A (Ampere) • Definitionsgleichung: I = Q / t 13

Ladung im Stromkreis Im unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich groß. 24 V – Im verzweigten Stromkreis teilen sich die Stromstärken an den Schnittstellen auf. 24 V – 14

Ladungen in leitenden Materialien • Stoffe, in denen sich elektrische Ladungen bewegen können, nennt man elektrische Leiter. • Zu den Leitern gehören die Metalle, aber auch Kohlenstoff in From von Graphit (Kohle). (Als Diamant ist er aber Isolator!) • Die äußersten Elektronen lösen sich leicht von den Atomen und können sich durch das Material bewegen. Mg => Ladungsbewegung: Strom 17

Glühelektrischer Effekt • In einer evakuierten Röhre ist eine Elektrode als Spirale, die andere als gegenüberstehende Platte ausgebildet. • Legt man eine Spannung an die Elektroden an, so fließt kein messbarer Strom. • Nun lässt man einen Heizstrom durch die Wendel fließen und bringt sie zum Glühen. • Aus dem glühenden Draht treten negative Ladungsträger aus, die den Strom durch die Röhre hindurch bewirken. • Diese Erscheinung bezeichnet man als glühelektrischen Effekt. • Er wurde im Jahre 1883 von Thomas Edison entdeckt. 18

Ladungsspeicher: Kondensator • Kondensatoren sind Bauelemente, die elektrische Ladungen und folglich elektrische Energie speichern können. • Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten, die durch das dazwischenliegende Dielektrikum galvanisch getrennt sind. • Legt man eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld. • Eine Platte nimmt positive, die andere gleichviele negative Ladungen auf (Influenz). • Die Eigenschaft eines Bauteils, eine elektrische Energie zu speichern, nennt man Kapazität. Sie gibt die Ladungsmenge an, die bei einer bestimmten Feldstärke gespeichert werden kann. Q = C ·U Einheit: 1 F = 1 C/V = 1 As/V 19

Aufladungsmaschinen Bandgenerator Influenzmaschine Umax = 10 MV Umax = 100 k. V 20