Die elektrostatische Kraft

Elektrische LADUNG

LADUNGSMENGE, LADUNGSEINHEIT

Wir unterscheiden vier fundamentale Arten von Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Ein für uns besonders wichtiges physikalisches Phänomen ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Sie ist nicht nur die Ursache aller elektrischen Erscheinungsformen, sondern auch die Kraft, die die Materie auf der atomaren und molekularen Ebene zusammenhält. Auch das Licht ist eine elektromagnetische Strahlung. Die optischen Erscheinungen und alle Formen von Strahlung sind ebenfalls über die elektromagnetische Wechselwirkung erklärbar.

Wir wollen die zwei für uns jederzeit beobachtbaren Wechselwirkungen einander gegenüberstellen:

Gravitation

Gravitation: Die Wechselwirkung, welche wir alle schon bewusst wahrnehmen konnten, ist die Gravitation. Zwischen einem Elektron und einem Proton wirkt auch eine Massenanziehungskraft. Berechnen wir diese für den Abstand in einem Wasserstoffatom, welcher gleich dem halben Radius der Raumerfüllung eines Wasserstoffatoms ist, so erhalten wir  F = G·m_p·m_e·R_H^-2  =  3,61·10^-47 N.

Elektro-
statische
Kraft

Elektromagnetische Wechselwirkung: Es wirkt auch noch eine andere Kraft zwischen Proton und Elektron. Sie beträgt 8,19·10^-8 N. Sie ist also um den Faktor 2,27·10³⁹ mal größer als die Gravitationskraft. Sie ist also unvorstellbar größer als die Gravitationskraft. Diese Kraft wird als die elektrostatische Kraft bezeichnet. Sie ist wie die Gravitationskraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes. Berechnen wir das das Verhältnis der relativen Stärke dieser beiden Wechselwirkungen zwischen zwei Elektronen, kommen wir auf die unvorstellbare Zahl von 4,16·10⁴².

Kräfte
im
Kosmos

Materie besteht aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Es stellt sich die Frage, wenn die elektrischen Kräfte im atomaren Bereich um so viele Größenordnungen stärker sind als die Gravitationskräfte, weshalb beobachten wir dann, dass die Gravitationskräfte zwischen weit voneinander entfernten  Körpern stärker als die elektrostatischen sind.

Das liegt daran, dass es sich bei den elektrostatischen Kräften sowohl um Anziehungskräfte als auch im Abstoßungskräfte handelt, welche Betragsmäßig exakt gleich groß sind und sich auf größere Entfernungen in einem ungeladenen Körper aufheben. Was übrig bleibt ist die Gravitationskraft.

schwere
Masse

Die Quelle für die Gravitationskraft ist das, was wir die schwere Masse nennen. Die Masse könnten wir auch als die "Gravitationsladung" bezeichnen. Dies ist jedoch nicht üblich.

elektrische
Ladung

Die Quelle der elektrostatischen Kraft wird als die elektrische Ladung bezeichnet. In der Kurzform wird oft auch nur von der Ladung gesprochen. Die Masse oder die Ladung eines Teilchens ist ein mathematisches Attribut, das beschreibt, wie das Teilchen auf eine Gravitationskraft oder auf eine elektrostatische Kraft wechselwirkt. Die beiden Arten von Kräften existieren und wirken unabhängig voneinander. Es gibt auch keine feste Beziehung zwischen der Masse und der Ladung eines Körpers.

Massen-
anziehung

Die Kräfte zwischen Massen sind immer Anziehungskräfte.

Kräfte
zwischen
Ladungen

Die Kräfte zwischen Ladungen können sowohl Anziehungs- wie auch Abstoßungskräfte sein. Ladungen erhalten daher unterschiedliche Vorzeichen. Ladungen mit gleichen Vorzeichen stoßen einander ab. Ladungen mit ungleichen Vorzeichen ziehen einander an.

Praktischer
Versuch

Mit zwei Ballons kann diese Behauptung  durch Reiben mit einem wollenen Tuch sehr einfach demonstriert werden.  Dabei werden einige der äußeren Elektronen von der Wolle zum Ballon überwechseln. Der Ballon wird daher negativ geladen (Elektronen sind ja die Träger negativer Ladung). Wird der eine, jetzt negativ geladene Ballon dem anderen ebenfalls negativ geladenen Ballon genähert, stöß er ihn ab, ohne diesen zu berühren. Wir beobachten zwischen den beiden geladenen Körpern eine Fernwirkung.

Quantisierung der Ladung:

Elementar-
ladung

Experimente haben uns gezeigt, dass kein geladenes Teilchen eine kleinere Ladung haben kann als ein Proton oder ein Elektron. Diese elementare Einheit der Ladung ist gleich 1,602·10^-19 Coulomb. Diese Ladung wird Elementarladung genannt und mit "e" bezeichnet. Wir kennen auch Elementarteilchen welche keine elektrische Ladung haben (Neutronen, Photonen oder Neutrinos haben die Ladung null). Geladene Körper können nur ganzzahlige Vielfache von der Elementarladung e haben.

Ladungs-
menge
im
MKS
System

Definition der Ladungseinheit:

In dem international üblichen-MKS System ist die Ladung über die magnetische Kraft zwischen zwei von identischen Strömen durchflossenen Leitern definiert. Im MKS-System wird die Einheit der Ladung Coulomb genannt. Das Einheitenzeichen ist das C.

Diese Definition macht es uns möglich, die Ladung über die Größen Strom und Zeit zu definieren. Es wird daher:

Q = I · t

Die elektrische Ladung hat Mengencharakter. Die Ladung Q ist eine bestimmte Menge von Elementarladungen. Sie ist eine skalare Größe. Je nach dem ob ein Körper positiv oder negativ geladen ist, kann man dem Zahlenwert ein positives oder ein negatives Vorzeichen geben.

Die Ladung eines Körpers kann berechnet werden mit:

Q = N · e

Das Formelzeichen der Ladung ist Q.

Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (1C). Es gilt 1C = 1 As.

Laut Gesetz über Einheiten im Messwesen ist definiert:

Die abgeleitete SI–Einheit der Elektrizitätsmenge oder elektrischen Ladung ist das Coulomb (Einheitenzeichen: C). 1 Coulomb ist gleich der Elektrizitätsmenge, die während der Zeit 1s bei einem zeitlich unveränderlichen Strom der Stärke 1A durch den Querschnitt des Leiters fließt.

Aus der Einheit 1Coulomb können dezimale Vielfache und Teile gebildet werden.
Beispiele:         1kC = 10³C, 1mC = 10^–3C, 1µC = 10^–6C.

Abgeleitete Einheiten der Elektrizitätsmenge sind auch alle Produkte, die aus einer gesetzlichen Einheit der Stromstärke und einer gesetzlichen Zeiteinheit gebildet werden.

Beispiele:         1Ah = 1A·1h = 1A·3600s = 3,6kC.

Erhaltung der Ladung:

Prinzip
von der
Erhaltung
der
Ladung

Eines der fundamentalen Gesetze der Physik ist das Gesetz von der Erhaltung der Ladung. Die Nettomenge der Ladung  (die Menge positiver Ladung minus die Menge negativer Ladung) ist in einem abgeschlossenen System konstant. Zu jeder positiven Ladung gibt es irgendwo den negativen Ladungspartner und umgekehrt. Die elektrische Ladung ist also eine Erhaltungsgröße. Das Gesetz von der Erhaltung der Ladung gilt auch dann wenn im extremen Fall ein geladenes Teilchen vernichtet wird. Wird ein Elektron durch ein Positron vernichtet, so werden beide Ladungen, positive und negative Ladung, zerstört. Die Nettoladung null bleibt vor und nach der Vernichtung unverändert. Generell gilt die Aussage, dass wir Ladung einer Polarität (plus oder minus) weder erzeugen, noch vernichten können. Wir können Ladungen trennen aber nicht erzeugen. Das Universum scheint eine exakt gleiche Anzahl positiver und negativer Elementarladungen zu enthalten.

Nachweis

Das Gesetz von der Erhaltung der Ladung ist durch viele Experimente bestätigt worden.

Beispiel

Wie extrem genau die Anzahl der positiven und negativen Ladungsträger in einem Körper ausgeglichen sein muss, zeigt folgendes Beispiel:
Stellen wir uns zwei Kupferkugeln mit der Masse von je 1kg in einem Abstand von einem Meter vor. Jede Kugel enthält etwa 0,95·10²⁵ Kupferatome. Jedes Atom enthält ein "freies" Elektron. Würde es uns gelingen 1% der Elektronen von einer Kugel auf die Andere zu schaffen, so würden sich die Kugeln mit dem unsinnigen großen Wert von 2·10¹⁸N anziehen. Dieser Wert entspricht in etwa dem Gewicht von  28 Millionen Cheops-Pyramiden.