Ladungen Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

1. LadungenWichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Schriftliche Hausarbeit von Ralf Hirnich Universität Augsburg Didaktik der Physik

2. Elektrostatik Bereits im Altertum wusste man, dass geriebener Bernstein (griechisch: elektron) leichte Körper anzieht. Durch Reibung kann ein Körper in einen veränderten Zustand versetzt werden, er wird „aufgeladen“. Man spricht daher auch von Reibungselektrizität. Nähern sich zwei elektrisch geladene Körper, gibt es zwei Möglichkeiten: • sie ziehen sich an • sie stoßen sich ab Daraus schließt man, dass es zwei verschiedene Typen von Ladungen geben muss. Lichtenberg, der erste deutsche Professor für Experimentalphysik, definierte diese beiden Ladungsarten als „+“ und „-“. • Körper mit gleicher Ladung stoßen einander ab • Körper mit ungleicher Ladung ziehen einander an

3. Die Natur der Ladung • Ladung ist das, was aufgeladen wird. • Ladung hängt vom Material ab (bernstein-, glasartig). • Elemente können geladen werden, wenn sie in Lösung gehen (Dissoziation, Ionen): Ladung ist eine Eigenschaft des Elements. • Elemente haben jeweils typische Atomformen. • Elemente nach der Masse geordnet zeigen periodisch verschiedene Ladungseigenschaften (Wertigkeit, „Periodensystem“) • Jedes Atom enthält gleichviele „+“ und „-“ Ladungen.

4. 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 ab 1909 der amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan benutzt, um die winzigen Ladungen kleiner Öltröpfchen zu bestimmen. • Millikan erhielt 1923 für den Nachweis der Quantelung der elektrischen Ladung den Nobelpreis.

5. Wird die elektrische Feldstärke so eingestellt, dass ein beobachtetes positiv geladenes Öltröpfchen zwischen den Kondensatorplatten schwebt, so ist seine Gewichtskraft gleich der nach oben gerichteten Feldkraft. Bei der Ermittlung der Spannungswerte für den Schwebezustand kam Millikan immer wieder auf ganz bestimmte Werte. Es handelte sich jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches von e = 1,602 •10-19C. Diese Ergebnis zeigt, dass es eine kleinste, immer gleiche Ladung e gibt, von der alle Ladungen Q ganzzahlige Vielfache sind: Q = n • e

6. Rutherfords Atommodell • Im Jahre 1910 führte Rutherford seine Streuexperimente durch um die Masseverteilung in einem Atom zu bestimmen, indem er Goldfolie mit α-Teilchen beschoss. • Er beobachtete, dass die allermeisten ungehindert durch die Folie hindurchgingen. • Er beobachtete aber auch, dass einige mit hoher Geschwindigkeit rückwärts gestreut wurden. Erkenntnisse: • Atome haben einen Durchmesser von 10-10 m. • Nahezu die gesamte Masse ist jedoch im Atomkern mit einem Durchmesser von 10-14 m konzentriert. • Die gesamte positive Ladung des Atoms trägt der Atomkern. • Die gesamte negative Ladung tragen die Elektronen der Atomhülle. • Ihre Masse beträgt nur 1/2000 der Kernmasse.

7. Schalenstrukturmodell • Atome geben leicht Elektronen ab bzw. nehmen leicht Elektronen auf, wenn die dadurch entstehenden Ionen eine äußere Schale mit 8 Atomen aufweisen („Oktettregel“). • 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-wertigChlor: -1-wertig

8. Ladungen auf leitenden Oberflächen • Auf leitende Oberflächen sind Ladungen sind frei beweglich. • Gleichnamige Ladungen verteilen sich aufgrund der abstoßenden Kraftwirkung gleichmäßig. Kraftwirkung längs der Oberfläche: • Feldverstärkung an Spitzen (Blitzableiter) • Ladungen sitzen auf leitenden Hohlkörpern stets außen (Faradyscher Käfig)

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 einer felderzeugenden Ladung wird durch die Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit (Feldliniendichte) dargestellt.

10. Ladungsnachweis mit dem Elektrometer • Mit dem Elektrometer 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 • Gleichnamige elektrischen Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an. • Bringt man einen Körper mit leitfähiger Oberfläche in ein elektrisches Feld, so verändert sich darauf die Ladungsdichte. • Dies geschieht, da negative und positive Ladungen durch die Wirkung dieses Feldes in entgegengesetzte Richtungen streben. • Die Ladungsträger verteilen sich, die Gesamtladung des Körpers bleibt jedoch konstant. • Influenz zur Ladungstrennung ist das grundlegende Funktionsprinzip beim Bandgenerator bzw. der Influenzmaschine.

12. Aufladungsmaschinen Bandgenerator Influenzmaschine

13. Ladungen in leitenden Materialien • Stoffe, in denen sich elektrische Ladungen bewegen können, nennt man elektrische Leiter. • Zu den Leitern gehören die Metalle und Kohlenstoffe (Graphit, Kohle), aber auch verdünnte Säuren und Laugen. • Diese Stoffe, vorzugsweise Metalle, sind +1- oder +2-wertig. • Dies hat zur Folge, dass die äußersten Elektronen leicht vom Atom gelöst und durch das Material bewegt werden können. => Ladungsbewegung: Strom

14. 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, der durch zwei geradlinige parallele Leiter mit einem Abstand von einem Meter fließt und der zwischen den Leitern je Meter Länge eine Kraft von 2·10-17 N hervorruft. • Symbol: I • Maßeinheit: [I] = [Q] / [t] = 1 C/s = 1 A (Ampere) • Definitionsgleichung: I = Q / t

15. Ladung im Stromkreis Im unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich groß. Im verzweigten Stromkreis ist die Gesamtmenge der Ladungen an jeder Schnittstelle gleich groß. 24V – 24V –

16. 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.

17. 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 elektrisch 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. • 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. C = Q/U Einheit: 1F = 1C/V = 1 As/V

18. 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. • Der negativ geladene „Leitblitz“ schiebt sich wie ein Schlauch in Richtung Erde. • Ein von der Erde ausgehender „Gegenblitz“ trifft mit ihm zusammen und bildet so den eigentlichen Hauptblitz. • Dabei wird die Umgebungsluft bis auf 30.000° C erhitzt und dehnt sich dabei explosionsartig aus. • Es donnert.