Statische Aufladung auf einer Rutsche (elektrische Ladung)
Statische Aufladung auf einer Rutsche (elektrische Ladung)
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Die elektrische Ladung der Elektronen bzw. Protonen in den Atomkernen kann mit Hilfe von Experimenten der Ladungstrennung gezeigt werden. Die Ladungstrennung geschieht durch Reiben zweier Stoffe mit unterschiedlichem Drang, Elektronen an sich zu binden. Elektronen abgebende Materialien fungieren als Elektronendonatoren, die anderen Stoffe als Elektronenakzeptoren.

Die Ladungen haben ein Vorzeichen und deren Menge kann mit Hilfe eines Elektroskops gemessen werden. Das Elektroskop funktioniert aufgrund der abstossenden Kräfte, mit welchen gleiche Ladungen aufeinander wirken. Ungleiche Ladungen ziehen sich an.

Mit seinem Versuch mit geladenen Öltröpfchen, konnte Millikan die Elementarladung bestimmen. Es ist die kleinst mögliche Ladungsmenge und entspricht, vom Betrag her, der Ladung eines Elektrons oder eines Protons.

Durch die Influenz können Ladungen in Metallen berührungslos getrennt werden. Die abstossende Wirkung bewirkt eine Ladungstrennung auf die freien Ladungsträger.

Definitionen

Abkürzung: $q \;\;$ bzw. $\;\; Q$

Einheit: $[\,q\,] = \text{C}\quad$ (Coulomb)

Ladungstrennung

Die ersten Experimente mit elektrischer Ladung benutzten ein einfaches Verfahren, um zu elektrischer Ladung zu kommen: die Ladungstrennung. Reibt man einen Stab mit einem Fell, so ist bald ein leises Knistern festzustellen. Es rührt von kleinen elektrischen Entladungen (Mini-Blitzen) zwischen dem Stab und dem Fell her. Trennt man den Stab vom Fell, so können mit dem Stab (oder dem Fell) kleine Experimente durchgeführt werden, die eine unsichtbare Kraft aufzeigen.

Wir wissen, dass Materie aus Molekülen bzw. Atomen besteht. Wir wissen vielleicht auch schon, dass Atome aus einem positiv geladenen Atomkern und negativ geladenen Elektronen besteht. Die positive Ladung der Atomkerne ist vom Betrag her genau gleich gross, wie die negative Ladung der Elektronen. In Summe ist die Ladung des ganzen Atoms nullAtome sind ungeladen oder ladungsneutral.

Durch das Reiben konnten wir offenbar Ladung von einem ursprünglich neutralen Gegenstand auf den anderen neutralen Gegenstand übertragen. Somit sind die beiden Gegenstände genau gleich geladen, der eine positiv, der andere negativ.

Haben wir jetzt Elektronen oder Atomkerne übertragen? Die Atomkerne sind im Normalfall in Molekülen oder in Atomgittern gefangen. Sie tragen die meiste Masse und repräsentieren somit die eigentliche Masse des Gegenstands. Elektronen sind tausendfach leichter und viel beweglicher. Wir haben durch das Reiben Elektronen übertragen. Die Atomkerne und auch viele (innere) Elektronen sind zurückgeblieben.

Zwei Arten von Ladungstrennung (elektrische Ladung)
Zwei Arten von Ladungstrennung (elektrische Ladung): Ein Kunststoffstab lädt sich negativ auf. Ein Glasstab wird positiv geladen.

Stoffe behalten ihre Elektronen bei sich, aber verschieden stark. Wenn ein Stoff mit einem anderen in engen Kontakt kommt, entscheidet diese Eigenschaft, ob die äussersten Elektronen übertragen werden. Stoffe, die Elektronen leicht abgeben, werden Elektronendonatoren genannt. Stoffe, die gerne Elektronen von anderen Stoffen aufnehmen, nennen wir Elektronenakzeptoren.

Anziehung / Abstossung

Haben wir einmal die Ladungen getrennt, so stellen wir fest, dass zwei Kugeln mit gleicher Ladung sich abstossen. Wenn sich die beiden Kugeln berühren, so geschieht nichts anderes als dass die Ladungen sich möglichst gut auf beiden Kugeln verteilen. Der Grund dafür ist die Abstossungskraft der einzelnen Elektronen aufeinander. Sie stossen sich gegenseitig ab und werden deshalb möglichst weit von den anderen Elektronen gehen.

Das genau gleiche Verhalten können wir mit positiven Ladungen beobachten. Sie stossen sich auf gegenseitig ab und verteilen sich deshalb soweit es geht. Die beiden Kugeln werden diese Abstossungskraft ebenfalls spüren.

Zwei Kugeln mit unterschiedlicher Ladung ziehen sich hingegen an. Sollten sich die beiden Kugeln aber berühren, so fliessen die negativen Ladungen zu den positiven Ladungen und neutralisieren sich wieder. Die beiden neutral gewordenen Kugeln verlieren dann sofort die Anziehungskraft.

Elektrische Ladungen wirken mit anziehenden oder abstossenden Kräften
Unterschiedliche elektrische Ladungen wirken aufeinander anziehend. Gleiche elektrische Ladungen stossen sich ab

Elektroskop

Anzeige von elektrischer Ladung mit dem Elektroskop
Anzeige von elektrischer Ladung mit dem Elektroskop

Ein Elektroskop zeigt mit einem Zeiger die Menge an Ladung an, die auf ihn übertragen worden ist. Es besteht aus elektrisch leitendem Metall und erlaubt so, dass sich die Ladungen schnell und gleichmässig verteilen. Der eine Arm ist beweglich. Die Ladungen auf dem beweglichen Arm stossen sich von den Ladungen auf dem nicht-beweglichen Teil ab und umgekehrt. Da sie aber nicht aus dem Metall austreten können, nehmen sie das Metall mit sich und heben den beweglich Teil an. Je mehr Ladungen vorhanden sind, desto grösser ist ihre abstossende Kraft und entsprechend höher steigt der Zeiger.

Das Elektroskop kann nicht anzeigen, welche Art von Ladung es hat, denn positive und negative Ladungen verhalten sich genau gleich, wenn sie sich gegenseitig abstossen.

Die negativen Elektronen fliessen im Metall des Elektroskops praktisch ungehindert. Es ist eine spezielle Eigenschaft der Metalle, dass sich ihre Elektronen wie freie Gasteilchen in einem Behälter bewegen können. Man spricht deshalb auch vom Elektronengas.

Auch positive Ladungen können im Metall fliessen. Wir müssen uns dazu positive Löcher vorstellen. Nicht die Atomkerne bewegen sich, sondern die Position der Löcher. Stelle dir ein Atom vor, das im Atomgitter eines Metall sich befindet. Das Gitter ist fix und die Atomkerne können ihre Position nicht verlassen. Wenn das betrachtete Atom ein Elektron zu wenig hat, ist das Atom positiv geladen. Das Fehlen des Elektrons stellen wir uns als “Loch” vor. Wenn jetzt das linke Nachbaratom sein Elektron an unser Atom abgibt, dann ist es wieder neutral. Neu ist aber das linke Atom positiv geladen.

Im Grunde genommen ist das Elektron von links nach rechts gewandert, oder das positive Loch ist nach links gewandert. So gesehen können Löcher sich in Metallen auch wandern – auch wenn es letztlich die Elektronen sind, die sich in der umgekehrten Richtung bewegen.

Ladungen im Atommodell

Elektrische Ladung im Atom
Elektrische Ladung im Atom: Die inneren Elektronen bilden mit den Protonen und Neutronen des Atomkerns den Atomrumpf. Das Atom kann äussere Valenzelektronen abgeben

Mit seinem berühmten Experiment gelang es dem amerikanischen Physiker Robert Andrews Millikan die Elementarladung, d.h. die Ladung von Elektronen zu messen.

Mit Hilfe dieser Elementarladung $e$ können wir jetzt das Modell des Atoms vervollständigen: Im Atomkern befinden sich neutrale Neutronen und positiv geladene Protonen. Da die Anzahl Protonen genau der Anzahl Elektronen entspricht, haben sie, bis auf das Vorzeichen, die genau gleich Ladung: Protonen haben die Ladung $+e$, Elektronen die Ladung $-e$.

Die inneren Elektronen sind stark am Atomkern gebunden und bilden mit ihm den Atomrumpf. Er ist auch positiv geladen, wenn auch nicht ganz so stark wie der Kern. Bei unserem Beispiel, Aluminium, hat der Atomrumpf 13 Protonen und 10 innere Elektronen. Er hat also die Ladung $+3e$.

Zu äusserst haben wir die drei Valenzelektronen. Das sind die Elektronen, die das Atom einfacher abgeben kann. Zusammen haben sie die Ladung $-3e$. Schliesslich bilden der Atomrumpf und die Valenzelektronen zusammen das ladungsneutrale Atom.

Elementarladung

\[ e = 1.602 \cdot 10^{-19}\;\text{C} \]

Die Elementarladung ist eine Naturkonstante. Das Elektron hat genau diese Ladung mit negativem Vorzeichen ($-e$). Das Proton hat die gleiche Ladung mit positivem Vorzeichen ($+e$).

Die Bestandteile des Protons, die up- und down-Quarks haben die Ladung $+\frac{2}{3}e$ bzw. $-\frac{1}{3}e$.

Aufgabensammlung

  • Metallkugel (0069)

  • Punktladungen (0070)