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Magazin für Umwelt- und Tierschutz


 Kräfte, die in Feldern wirken

Inhalt

    3.4 Feldkräfte
        3.5.1 Vom Gravitationsfeld zum elektrischen Feld
        3.5.2 Feldkräfte wirken tangential an Feldlinien.
        3.5.3 Feldkräfte beeinflussen Feldlinien
    3.6 Feldkräfte und Feldstärke im homogenen Feld
        3.6.1 Die Basisformel
        3.6.2 Abgeleitete Formeln
        3.6.3 Elektronen im elektrischen Feld
            3.6.3.1 Feldkraft
            3.6.3.2 Beschleunigung
            3.6.3.3 Geschwindigkeit
        3.6.4 Feldstärke zwischen Kondensatorplatten
    3.7 Feldkräfte und Feldstärke im inhomogenen Feld
        3.7.1 Radiale Felder um kugelförmige Ladungen und Atomkerne
        3.7.2 Kräfte zwischen zwei Ladungen
    3.8 Ladungsdichte
        3.8.1 Ladungsfilme
        3.8.2 Einfluß des Feldes auf die Ladungsdichte
4 Ladungsträger
    4.1 Elektronen
    4.2 Gibt es dafür Hinweise?
    4.3 Ladungen werden übertragen
        4.3.1 Ladungstrennung
            4.3.1.1 Influenz - Ladungstrennung zwischen leitenden Körpern
            4.3.1.2 Dielektrische Polarisation - Ladungstrennung zwischen Leiter und Isolator
            4.3.1.3 Ladungstrennung durch Kontakt
        4.3.2 Ladungsverschiebung und -ausgleich
    4.4 Atome werden verschoben
    4.5 Ladungserhaltungssatz
    4.6 Nachweis und Messung von Ladungen
    4.7 Abschirmung elektrischer Felder
Aktualisierungen

3.4 Feldkräfte

3.5.1 Vom Gravitationsfeld zum elektrischen Feld

Hält man einen Ball in den Händen und läßt ihn los, fällt er zu Boden. Bei diesem Vorgang war der Ball zu Beginn in Ruhe. Ohne jeden Einfluss sollte er sich träge verhalten. Das heißt: Er sollte in seinem Zustand bleiben, also in der Luft schweben. Doch das tut er nicht. Immer wenn ein Körper aus seinem aktuellen Zustand gebracht wird, ob er sich nun in Ruhe befindet oder sich in eine Richtung bewegt, ist ein äußerer Einfluss dafür verantwortlich. Diesen Einfluss nennt man Kraft. Die Kraft, die den Ball zu Boden fallen läßt, ist die Gewichtskraft. Sie hat ihre Ursache in einem Kraftfeld. Hier ist es das Gravitationsfeld. Es wirkt auf Massen und beschleunigt sie. Damit erhält die Masse ein Gewicht.

Auch das elektrische Feld ist ein solches Kraftfeld. Es gibt in der Natur vier Grundkräfte: Die starke, schwache, elektromagnetische und Gravitationskraft. Das elektrische Feld ist Schauplatz der elektromagnetischen Kraft. Statt auf Massen wirkt es auf Ladungen und beschleunigt sie. Hier wirkt nicht die Gewichtskraft, sondern eine Feldkraft. Man sieht: Es ist durchaus möglich, sich durch Erfahrungen im Alltag eine Vorstellung von Vorgängen des Elektromagnetismus zu machen.

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3.5.2 Feldkräfte wirken tangential an Feldlinien.

Diese Kräfte wirken auf Ladungen innerhalb des Feldes, aber auch auf die Feldlinien selbst. Die Kräfte wirken auf positive Ladungen in Richtung der Feldlinien, auf negative Ladungen entgegengesetzt. Durch Anziehung und Abstoßung können Teilchen in einem elektrischen Feld bewegt werden. Vom Magnetfeld der Erde ist bekannt, dass Teilchen des Sonnenwindes den Feldlinien auf wendelförmigen Bahnen folgen. Feldkräfte sind es auch, die Elektronen durch Stromleitungen treiben. Ohne Feld keine Feldkraft und kein elektrischer Strom. Das kann auch in einem Verband von Atomen, also in Kristallen, geschehen.

Feldkräfte an Feldlinien

Abbildung 7: Richtung der Feldkräfte an Feldlinien

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3.5.3 Feldkräfte beeinflussen Feldlinien

Im Normalfall treten sie genau senkrecht an den Austrittspunkten auf einer Metalloberfläche. Tritt die Linie schräg aus, ist auch die Kraft schräg und hat eine waagerechte und senkrechte Komponente. Die zur Oberfläche waagerechte verschiebt die Feldlinie hin zur Idealposition und nimmt immer mehr ab, bis sie am Ziel den Wert Null hat. Übrig bleibt allein die senkrechte Komponente.

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3.6 Feldkräfte und Feldstärke im homogenen Feld

3.6.1 Die Basisformel

Vergleich des elektrischen mit dem Gravitationsfeld

Abbildung 8: Vergleich zwischen elektrischem Feld (links) und Gravitationsfeld (rechts)

Auch bei der Berechnung kann man eine Verbindung zwischen den Formeln von elektrischem und Gravitaionsfeld herstellen. Allgemein berechnet man eine Kraft F mit der Formel Masse * Beschleunigung oder F = m * a. Wird im Umfeld der Erde eine Masse m durch die Erdbeschleunigung g beschleunigt, entsteht eine Gewichtskraft G = m * g. Wird im elektrischen Feld eine Ladung Q durch die Feldstärke E beschleunigt, entsteht eine Feldkraft F = Q * E. Daher gilt:

Berechnung der Feldstärke aus der Ladung und der auf sie einwirkenden Kraft:

Feldstärke E = Feldkraft F / Ladung Q

mit der Einheit
[E] = Newton / Coulomb
[E] = N / C
[E] = Volt / Meter
[E] = V/m

F = Kraft auf einen positiv geladenen Körper
q = Ladung des Körpers, auf den die Kraft einwirkt

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3.6.2 Abgeleitete Formeln

Die folgende Tabelle zeigt zweierlei. Zum einen zeigt sie umgestellte Formel, nach der man Feldstärke, Kraft und Ladung berechnen kann. Zum anderen bietet sie wieder durch den Vergleich von elektrischem und Gravitationsfeld einen Bezug zur Alltagserfahrung. Eine Ladung, die sich in einem elektrischen Feld bewegt, können Menschen nicht wahrnehmen. Einen Stein, den jemand im Gravitationsfeld hebt oder wirft, können sie sehr gut wahrnehmen. Eine der Formeln auf der rechten Seite ist Isaak Newtons bekannte Definition der Kraft F als Produkt aus Masse m und Erdbeschleunigung (Ortsfaktor) g.

  Elektrisches Feld Gravitationsfeld
Feldstärke E E = F / Q g = F / m
Feldkraft F F = Q * E F = m * g
Ladung Q Q = F / E m = F / g

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3.6.3 Elektronen im elektrischen Feld

3.6.3.1 Feldkraft

Bei diesen Ladungen Q handelt es sich meist um die negativ geladenen Elektronen mit der Elementarladung e. Daher gilt für die Feldkraft statt F = Q * E die Formel F = e * E.

F = e * E

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3.6.3.2 Beschleunigung

Ist das Elektron frei beweglich, wird es entgegen der Richtung des Feldes beschleunigt, vom Minus zum Pluspol. Für die Beschleunigung a gilt allgemein die Formel Kraft * Masse oder a = F / m. Setzt man für die Kraft die Formel F = e * E ein, ergibt sich die Formel a = E * (e / m). Der darin enthaltene Term e / m wird nicht mit Ladung und Masse des Elektrons gefüllt, sondern spezifische Ladung genannt. Für Elektronen hat sie den Wert 1,759 * 1011 C / kg. Geladene Teilchen werden in Beschleunigern und Elektronenstrahlröhren beschleunigt.

a = E * (e / m)

Dabei wirkt eine Feldkraft F über eine Strecke s auf das Elektron ein. Ist dies der Fall, wird eine Arbeit W = F * s verrichtet. Dabei verringert sich die potenzielle Energie und die Feldenergie wird in kinetische (Bewegungs-) Energie umgewandelt.

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3.6.3.3 Geschwindigkeit

Zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld wirkt eine Beschleunigungsspannung U.

(1/2) * m * v2 = U * e
v2 = (U * e * 2) / m
v = √ ((U * e * 2) / m)

Die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem elektrischen Feld wie dem in einem Beschleuniger ist also von der Beschleunigungsspannung U und der spezifischen Ladung (e/m) abhängig.

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3.6.4 Feldstärke zwischen Kondensatorplatten

Berechnung der Feldstärke aus dem Abstand zweier geladener Kondensatorplatten und ihrem Abstand voneinander:

Bei Kondensatorplatten verlaufen die Feldlinien parallel zueinander und daher ist das elektrische Feld homogen. Die Feldstärke hängt nur vom Abstand und der Spannung ab.

E = U / d

U = Spannung aus der unterschiedlichen Ladung der Platten
d = Abstand der Kondensatorplatten

Angenommen, zwei Kondensatorplatten haben einen Abstand von 2 Zentimeter voneinander und haben eine Spannung von 3 Kilovolt. In ihrem Feld befindet sich ein Körper mit einer Ladung von 1 Coulomb. Gesucht ist die Feldkraft.

Gegeben: d = 2 cm, U = 3 kV = 3000 V, Q = 1 C
Gesucht: F

F = Q * E
da E nicht gegeben ist, wird dafür E = U/d eingesetzt:
F = (Q * U) / d = (1 C * 3000 V) / 0,02 m = 15000 N

  • In einem homogenen Feld wie der eines Kondensators, ist die Feldstärke an jedem Punkt gleich.
  • Feldkraft F und Ladung q sind propotional zueinander. Nimmt q zu, tut das auch F. Schließlich nimmt mit der Ladung auch die Zahl der Elektronen zu und auf jedes von ihnen wirkt eine bestimmte Kraft. In dem Fall ist das Ergebnis der Berechnung, die Feldstärke, stets gleich groß.
  • Die Richtung der Feldstärke E ist gleich der der Feldkraft F, wenn sie auf eine positive Ladung wirkt.
  • Wie die Feldkraft zeigt sie tangential zu einer Feldlinie.

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3.7 Feldkräfte und Feldstärke im inhomogenen Feld

3.7.1 Radiale Felder um kugelförmige Ladungen und Atomkerne

Mit Hilfe einer Pendelkugel kann man die Kraft in unterschiedlichen Abständen von einer geladenen Kugel (Zentralladung) ermitteln. Dabei stellt man fest, dass sie mit zunehmenden Abstand von der Kugel schwächer wird.

Dichte der Feldlinien um eine Ladung

Abbildung 9: Radiales Feld mit zwei Hilfskreisen

Die Feldlinien gehen von der Oberfläche der geladenen Kugel radial in alle Richtungen aus. Das zeigt auch die Abbildung. Nun kann man eine gedachte Kugelfläche (Hüllkugel) mit einem Radius r um die Zentralladung legen. Das sind in der Abbildung die Kreise innerhalb des Feldes, die man sich nur als Kugel vorstellen muss. So erhält man eine Oberfläche, mit der sich die Feldlinien schneiden. Ihre Fläche läßt sich mit der Formel für Kugeloberflächen A = 4πr2 berechnen. Denkt man sich nun an jedem Schnittpunkt von Feldlinie und Hüllkugel eine Ladung q, erhält man eine Anzahl Teilladungen. Miteinander addiert, ergeben sie eine Gesamtladung Q. Nebenbei bemerkt: Die Oberfläche der Kugel wird umso größer, je größer ihr Radius ist. Die Zahl der Feldlinien aber bleibt gleich. Daher nimmt mit zunehmendem Abstand von der Ladung die Felddichte ab.

Neben Fläche A und Gesamtladung Q benötigt man als dritte Größe die gemessene Feldstärke E. Nun kann man von der Formel für Q ausgehen und in zwei Schritten die ausführlichen Formeln für die Felddichte σ und die Fläche A einsetzen:

Q = σ*A = ε0*E*A = ε0*E*4πr2

Stellt man diese Formeln nach E, um, erhält man die Feldstärke im Abstand r:

E = Q / ε0*A = Q / ε0*4πr2

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3.7.2 Kräfte zwischen zwei Ladungen

Umgestellt sind der zweite und dritte Schritt aus der vorhergehenden Formel, denn der erste enthält ja noch keine Feldstärke. Dabei hat 1/ε0*4πr2 den Wert 9*109 Nm2/C2. Auch die Kraft, die auf eine Ladung im Abstand r vom Mittelpunkt der Zentralladung wirkt, läßt sich berechnen: F = E / q. Setzt man in diese Formel die vorhergehende ausführliche Formel für E ein, erhält man:

F = E * q
F = (Q * q) / (ε04π * r2)

Dieses Gesetz fand der französische Physiker Ch Coulomb (1736 bis 1806) durch Experimente, noch bevor Faraday seine Hypothese der Felder vorstellte. Die Formeln dagegen stammen von Faraday. Das Coulomb Gesetz für die Kraft zwischen zwei kugel- oder punktförmigen Ladungen lautet:

F = ( 1 * Q * q ) / ( ε04π * r2 )

F = Feldkraft,
Q = Zentralladung,
q = zweite Ladung,
r = Abstand der Kugelmitten der beiden Ladungen Q und q,
ε04π = 9*109 N*m2/C2

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3.8 Ladungsdichte

3.8.1 Ladungsfilme

Die Feldkräfte ziehen Ladungen q an die Oberfläche der Platten eines Kondensators. Dort bilden sie dünne Ladungsfilme Q. Diese Ladung Q läßt sich an unterschiedlichen Orten der Fläche mit einem Testplättchen abnehmen. Eine Messung der Probe zeigt, dass sich die Ladungen gleichmäßig über die Flächen verteilen. In einem homogenen Feld ist das stets so. Die Flächendichte σ (sigma) beschreibt die Dichte der Ladungen pro Flächeninhalt.

Da die Verteilung gleichmäßig ist, gilt:

Flächendichte σ = Gesamtladung Q / Fläche A
mit der Einheit:
[σ] = 1 Coulomb (C) / Quadratmeter (m2)

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3.8.2 Einfluß des Feldes auf die Ladungsdichte

Erhöht sich die Spannung am Kondensator oder verringert sich der Abstand seiner Platten, erhöht sich die elektrische Feldstärke E. Mit der Feldstärke wächst auch die Flächendichte σ. Die elektrische Feldkonstante ε0 (epsilon 0) berücksichtigt das Medium, in dem sich die Ladung befindet und hat die Einheit C/Vm. In Luft beträgt sie 8,85 * 10-12 C/Vm.

Flächendichte σ = Feldstärke E * elektrische Feldkonstante ε0
mit der Einheit 1/m2

Die Feldstärke E hat die Einheit Newton N / Coulomb C, die Feldkonstante Coulomb C / (Volt V * Meter m). Setzt man die Einheiten der Faktoren ein, ergibt sich dieses Bild:

[σ] = N * C
        ––––––––––
        C * V * m

Kürzt man Coulomb heraus, erhält man: 

[σ] = N
        ––––––
        V * m

Setzt man für Volt Newtonmeter ein:

[σ] = N
        ––––––––––
        N * m * m

kann man wiederum die Einheit Newton herauskürzen und es bleibt 1/Quadratmeter oder 1/m2. Die Flächendichte an der Erdoberfläche beträgt: σ = ε0 * E = 1,15*10-9 C/m2.

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4 Ladungsträger

4.1 Elektronen

Schließen sich Metallatome zusammen und bilden die sichtbaren Festkörper wie zum Beispiel ein Werkzeug aus Metall, dann geschieht das durch die so genannte Metallbindung. Das ist eine Art der so genannten chemischen Bindung. Dabei spielen die Elektronen eine große Rolle, die sich ganz außen in der Atomhülle (Valenzschale) befinden. Je weniger sich dort bewegen, desto leichter gibt das Atom sie ab. Atome mit vielen Elektronen auf der Valenzschale nehmen eher welche auf. So können entgegengesetzt geladenene Atome (Ionen) entstehen und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Verbinden sich aber Metalle (Metallbindung), geben alle Atome ihre Außenelektronen ab und es entsteht ein leicht bewegliches „Elektronengas“. Andere Elektronen, wie die der Halbleiter, brauchen Energiezufuhr von außen, um sich von den Atomkernen zu lösen. Bewegt sich dieses „Gas“, fließt elektrischer Strom.

Metallatome geben ihre äußeren Elektronen ab, die ein bewegliches „Elektronengas“ bilden.

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4.2 Gibt es dafür Hinweise?

Läßt sich das beweisen? Die Art eines chemischen Elementes wie Sauerstoff, Eisen, Kupfer oder Wolfram bestimmt allein die Zahl der Protonen im Atomkern. Eine Glühbirne ist mit den Kupferkabeln des Stromnetzes verbunden. Von dort fließt der Strom durch die Birne, in der sich ein dünner Wolframdraht befindet. Der Strom passiert auch ihn und bringt ihn dabei zum Glühen. Würden sich die positiven Atomkerne bewegen, wäre der Wolframdraht nach kurzer Zeit kupferrot. Ein zweiter Beweis für die Beweglichkeit ist der glühelektrische Effekt. Erhitzt man ein Metall, bis es glüht, sendet es Elektronen aus. Die Atome sind zwar in der chemischen Bindung Ionen, also geladen, aber dennoch in das Kristallgitter eingebunden.

Ein Metall, das zum Glühen erhitzt wurde, sendet die negativ geladenen Elektronen aus (glühelektrischer Effekt).
Sie sind in Metallen nur locker gebunden, im Gegensatz zu den Atomkernen.

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4.3 Ladungen werden übertragen

Mit Elektronen oder Ionen werden auch elektrische Ladungen übertragen. Das kann zu:

  • Ladungstrennung
  • Ladungsverschiebung
  • Ladungsausgleich und
  • Ladungsteilung führen.

Bewegen sich Ladungen von einem Körper zum anderen, werden stets nur negative Ladungen, also Elektronen, verschoben. Bauen sich positive Ladungen auf, geschieht das wegen Elektronenmangels. Dazu einige Beispiele:

4.3.1 Ladungstrennung

4.3.1.1 Influenz - Ladungstrennung zwischen leitenden Körpern

Haben sich positive und negative Ladungen in einem Körper neutralisiert, haben sie sich nicht vernichtet. Nähert sich in einem Versuch beispielsweise ein positiv geladenes Objekt (Q) einem neutralen (N), entmischen sie sich und zeigen auf der Seite von Q eine negative Ladung. Auf der Seite eines negativ geladenen Objekts Q würde sich auf der Seite von Q eine positive Ladung zeigen. Dieser Vorgang heißt Influenz. Er ist abgeleitet vom lateinischen Wort influere (hineinfließen). Entfernt sich Q wieder, wird N erneut neutral.

Ein positiv oder negativ geladener leitender Körper kann durch die zwischen Ladungen wirkenden Kräfte die Ladungen in einem anderen leitenden Körper teilweise und zeitweise trennen. Diesen Vorgang nennt man Influenz.

Entstehung von Influenzladungen

Abbildung 10: In Bild a sind die Ladungen an der Oberfläche eines Körpers gleichmäßig verteilt. Kommt in Bild b ein geladener Körper hinzu, trennen sie sich.

Die Ladung Q, welche die Influenz auf einer Fläche A hervorruft, ist proportional zur elektrischen Feldstärke E. Die Verschiebung von Ladungen, welche die Ladung Q entstehen lassen, nennt man dielektrische Verschiebung, elektrische Verschiebungsdichte, Flächenladungsdichte oder elektrische Flußdichte. Das Formelzeichen ist D.

Formelzeichen: D
Formel: [D] = Ladung / Fläche
Formel: [D] = Q / A
Formel für ein homogenes Feld: [D] = Q / (a * b)
Formel für ein Radialfeld: [D] = Q / (4 * π * r2)
Einheit: 1 Coulomb pro Quadratmeter = 1 C / m2

Zur Messung im homogenen Feld werden zwei Platten zwischen die beiden Kondensatorplatten eingebracht, dann getrennt und dann ihre Ladung gemessen. Im radialen Feld umschließt man eine geladene Kugel mit der Ladung Q mit zwei Halbschalen vom Radius r.

Aus dieser Formel läßt sich auch das Coulombsche Gesetz ableiten:

D = Q / (4 * π * r2) 1. Die Ausgangsformel

ε0 * εr * E = Q / (4 * π * r2) 2. Für D wird die Formel aus dem folgenden Absatz eingesetzt.

E = Q / (4 * π * r2 * ε0 * εr) 3. Die Formel wird nach E umgestellt.

F = E * Q 4. Befindet sich im Radialfeld eines geladenen Körpers ein zweiter, ist dies die Formel, um die Kraft zu berechnen, die auf ihn wirkt.

F = (Q1 * Q2) / (4 * π * r2 * ε0 * εr) 5. In die Formel aus der vierten Zeile wird die Formel aus der dritten Zeile eingesetzt.

Das elektrische Feld verschiebt durch dielektrische Verschiebung D die Ladungen, hat aber auch eine Feldstärke E. Zudem ist wie oben erwähnt D proportional zu E. Die folgende Formel bringt beide in einen Zusammenhang.

Formel: D = ε0 * εr * E

ε0 = Elektrische Feldkonstante
εr = Permittivitätszahl
E = Energie

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4.3.1.2 Dielektrische Polarisation - Ladungstrennung zwischen Leiter und Isolator

Wirkt die der leitende Körper Q auf einen Isolator N, so richtet die gleiche Kraftwirkung die gebundenen Ladungen an der Oberfläche des Isolators aus. Damit bilden sich kleinste elektrische Dipole. So kann sich die Oberfläche des Isolators aufladen. Ist der Körper Q negativ geladen, ist die Oberfläche von N postiv geladen und umgekehrt. Beispiel dafür ist ein negativ geladener Kunststoffstab, der durch dielektrische Polarisation Papierschnitzel anzieht oder ein negativ geladener Bernstein, der auf die gleiche Weise Federn anzieht.

Ein positiv oder negativ geladener leitender Körper kann durch die zwischen Ladungen wirkenden Kräfte die Ladungen an der Oberfläche eines Isolators teilweise und zeitweise verschieben. Diesen Vorgang nennt man dielektrische Polarisation.

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4.3.1.3 Ladungstrennung durch Kontakt

Reibt man einen Kunststoffstab an einem Fell, entreißt Stab dem Fell Elektronen. Das Fell ist daraufhin positiv geladen, der Stab negativ. Das gleiche geschähe zwischen Fell und Bernstein (wie in der Geschichte in der Einleitung dieses Artikels) oder Wolle und Kunststofffolie. Die gleiche Ursache hat das Knistern beim Ausziehen eines Pullovers oder das Kämmen trockener Haare. Führt man beide Komponenten wieder zusammen, sind sie elektrisch neutral. Der Fachausdruck ist elektrostatische Aufladung. Man findet sie bei guten Isolatoren. Teppichböden macht man mit Zusatzstoffen antistatisch.

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4.3.2 Ladungsverschiebung und -ausgleich

  • Angenommen, in einem Versuch sind zwei unterschiedlich (positiv und negativ) geladene Platten parallel zueinander angeordnet. Zwischen ihnen ist eine leitende Kugel an einem Band befestigt, das von der Decke herunter hängt. Läßt man nun diese Kugel zwischen den beiden Platten hin- und herpendeln, werden portionsweise Ladungen zwischen den Platten verschoben. So kommt es zu einem Ladungsausgleich.
  • Eine andere Möglichkeit ist, die beiden Platten direkt zu verbinden. Auch in dem Fall kommt es zu einer Verschiebung von Ladungen.
  • Durch einen Blitz fließen viele Ladungen in kurzer Zeit zwischen unterschiedlich geladenen Polen: Gewitterwolken und Erde.
  • Kraftwerke trennen Ladungen. Sie werden verschoben, wenn man den Stromkreis durch Einstecken eines Steckers in die Steckdose schließt.

Sind nun so viele Ladungen verschoben, dass an keiner der Platten oder Polen ein Elektronenüberschuß herrscht, sind die Ladungen ausgeglichen. Besteht die Verbindung nur in der Kugel, erfolgt der Ladungsausgleich in längerer Zeit als bei der direkten Verbindung, dem Blitz oder dem Stromkreis.

Befinden sich in einem elektrischen Feld zwei Testplatten und berühren sich, werden zwischen ihnen Ladungen verschoben. Auf der Platte, auf die die Feldlinien zuerst treffen, bildet sich die Influenzladung -Qi, auf der folgenden die gleich große positive Ladung +Qi. Die Ladungssumme bleibt null. Trennt man die Platten im Feld, haben die beiden Influenzladungen die gleiche Flächendichte σ wie die Kondensatorplatten, die das Feld erzeugen.

Allgemein kann man sagen, dass stets Elektronen von einem zum anderen Körper übergehen, sobald sie sich berühren. Sie bewegen sich in Richtung desjenigen, der die stärkere Kraft auf sie ausübt. Es gibt kaum zwei Stoffe, die dabei gleich stark wirken. Der Stärkere verschafft sich einen Überschuss an Elektronen.

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4.4 Atome werden verschoben

Watte. Bewegungen von Elektronen kann niemand wahrnehmen, denn sie sind sehr klein und nicht sichtbar. Mit bloßem Auge sichtbar sind dagegen ganze Atome, wenn sie in großer Zahl auftreten. So kann der im vorigen Abschnitt aufgeladene Kunststoffstab ein Wattestück oder Federn anziehen. Zwischen einem positiv und einem negativ geladenen metallischen Objekt fliegt die Watte hin und her.

Ionen. Doch es geht auch etwas kleiner, nämlich bei Ionen. Wie schon erwähnt, handelt es sich dabei um Atome, deren Elektronenzahl sich von der Anzahl seiner Protonen unterscheidet. Sind mehr Elektronen vorhanden, werden sie zu negativ geladenen Kationen. Sind es weniger, werden sie zu positiv geladenen Anionen. Positive und negative Ladungen ziehen sich an und schließen sie sich zu ganzen Festkörpern zusammen. Natrium und Chlor zum Kochsalz Natriumchlorid, Kupfer und Chlor zu Kupferchlorid. Nach außen sind sie dann wieder elektrisch neutral.

Elektrolyse. In einer Anordnung, die man als Laie nicht aufbauen sollte, ist Kupferchlorid in leitendem Wasser (beispielsweise Kalilauge) gelöst. Im Wasser befinden sich zwei Elektroden: Ein positiv geladenes Metall als Anode und ein negativ geladenes Metall als Katode, die beide an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind. Fließt Strom, wandern die Kupfer-Anionen zur Katode und die Chlor-Kationen zur Anode. An der Anode sammelt sich das Chlor, gibt ein Elektron ab und steigt als neutrales Gas aus dem Wasser. Auf der Katode sammelt sich das Kupfer, nimmt ein Elektron auf und bildet eine elektrisch neutrale Schicht. Die Anordnung könnte also zum galvanischen Beschichten von Bauteilen dienen. Noch deutlicher wird die Wanderung durch Salze, die eine starke Färbung aufweisen. Ist das Wasser stark leitend, läßt es sich mit Hilfe der gleichen Anordnung in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Aus dem Wasser aufgestiegen, bilden sie das hoch explosive Knallgas. Das Verfahren heißt Elektrolyse, die Apparatur Knallgaszelle.

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4.5 Ladungserhaltungssatz

Ein ähnlicher Satz wie für Masse, Energie, Impuls und Drehimpuls gilt auch für die Ladungen:

In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtladung erhalten bzw. bleibt die Summer der Ladungen gleich.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = konstant

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4.6 Nachweis und Messung von Ladungen

Man misst Ladungen mit

  • Elektroskopen
  • Elektrometern
  • Messungen von Stromstärken oder
  • Galvanometern

Ein Elektroskop ist ein Metallstab. Ein Elektrometer besteht aus einem Metallstab, an dem ein beweglicher Zeiger angebracht ist. Beide sind in einem Ring mit Skala und Standfuß befestigt. Der Zeiger kann in drei Fällen ausschlagen:

  • Hat die zu messende Probe einen Elektronenüberschuß (ist sie negativ geladen), fließen die negative Ladungen in das Elektroskop und lösen einen Zeigerausschlag aus.
  • Ist die Probe positiv geladen, fließen negative Ladungen aus dem Elektroskop heraus und lösen einen Zeigerausschlag aus.
  • Die geladene Probe kann auch durch Influenz die Ladungen innerhalb des Metallstabs des Elektroskops trennen. Die Probe befindet sich dann in der Nähe des Metallstabs. Auch dann schlägt der Zeiger aus.

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4.7 Abschirmung elektrischer Felder

Elektrische Felder lassen sich mit elektrisch leitendem Material abschirmen. Michael Faraday wies 1836 nach, dass eine solche Abschirmung nicht aus massiven Platten bestehen muss. Vielmehr genügt bereits ein Struktur aus Metallgittern und - streben. Daher spricht man bei solchen Schutzvorrichtungen von einem Faradayschen Käfig.

Beispiele sind die Karosserien von Autos oder die Hülle von Metallflugzeugen. Selbst wenn ein Blitz in diese Fahrzeuge einschlägt, bleibt der Innenraum frei von elektrischen Feldern. Kabel schützen zwar durch die nichtleitenden Kunststoffe die Hände vor dem elektrischen Strom, doch eine Hülle aus Metall oder Metalldrahtgeflecht schützen das Kabel vor den elektrischen Feldern ihrer Umgebung.

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Autor

Autor: Jörg Wieprzeck
Copyright: © 2002–2010 Biosphaere www.biosphaere.info

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Aktualisierungen

19.07.2010: Artikel angelegt

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