Mit elektrisch geladenen Körpern befassen wir uns in diesem Artikel. Dabei gehen wir vor allem auf die beiden verschiedenen Ladungsarten ein. Dieser Artikel gehört zum Bereich Physik bzw. Elektrotechnik.
Um das Verhalten elektrisch geladener Körper zu verstehen, muss man zunächst einen Blick auf die Grundlagen der Physik bzw. der Chemie werfen. Oder um genauer zu sein: Wir müssen uns den Aufbau eines Atoms einmal näher ansehen. Vereinfacht ausgedrückt, besteht ein Atom aus einer Atomhülle, in der sich elektrisch negativ geladene Elektronen befinden. Im Atomkern befinden sich die elektrisch neutralen Neutronen und die positiv geladenen Protonen.
Von Natur aus sind Stoffe nach außen hin nicht geladen. Hat ein Körper hingegen mehr Elektronen als Protonen, ist er negativ geladen. Und umgekehrt: Hat ein Körper mehr Protonen als Elektronen, ist er positiv geladen. Dabei besitzt ein Elektron die kleinste elektrische Ladung, welche als Elementarladung bezeichnet wird. Es gilt: Gleiche Ladungen stoßen sich ab, unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Die folgende Grafik verdeutlicht diesen Zusammenhang.
Um dieses Verhalten berechnen zu können, bedient man sich des Coulombschen Gesetzes. Die dabei wirkende Kraft lässt sich wie folgt berechnen:
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.
Elektronenüberschuss und Elektronenmangel
Im Normalfall besitzen Atome im Atomkern genau so viele positive Ladungen (Protonen) wie sich negative Ladungen (Elektronen) in der Atomhülle befinden. Dann ist das Atom nach außen hin neutral bzw. ungeladen. Herrscht ein Elektronenüberschuss, hat ein Atom also in der Hülle mehr negative Ladungen als positive Ladungen im Kern, so ist das Atom nach außen negativ geladen - man bezeichnet es als negatives Ion. Herrscht umgekehrt Elektronenmangel, hat ein Atom also in der Hülle weniger negative Ladungen als positive Ladungen im Kern, so ist es nach außen hin positiv geladen.
Dieses Konzept lässt sich auch auf Körper übertragen. Hat ein Körper gleich viele positive wie negative Ladungen, so ist der Körper ungeladen bzw. elektrisch neutral. Besitzt ein Körper mehr negative als positive Ladungen, so herrscht Elektronenüberschuss und der Körper ist negativ geladen. Besitzt er weniger negative Ladungen wie positive Ladungen, so herrscht Elektronenmangel und der Körper ist positiv geladen.
Kraft zwischen geladenen Körpern
Das Grundgesetz der Elektrostatik, der Lehre von den ruhenden Ladungen besagt: Zwei geladene Körper üben eine Kraft aufeinander aus. Dabei stoßen sich gleichnamig geladene Körper 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 anziehende oder abstoßende Kraftwirkung.
Freie Beweglichkeit von negativen Ladungen in Leitern (z.B. Metallen)
Abb. 4 Freie Beweglichkeit von Ladungen in LeiternIn 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.
Positive Ladungen sind hingegen meist ortsfest und wandern nicht.
Vorsicht: Die Animation in Abb. 4 ist stark verlangsamt, um dir das Prinzip zu verdeutlichen! In Realität läuft der Prozess viel schneller ab.
Ladungsnachweis mit dem Elektroskop
Abb. 5 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. 5 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
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. 7 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.