PhysikSkript

Ladungen und deren Eigenschaften

Existenz von 2 verschiedenen Ladungen, Abstoßende und anziehende Kräfte

Experiment:
Ein Gefrierbeutel wird in mehrere Streifen geschnitten. Diese Streifen bestehen somit aus zwei Beutelwänden und somit zwei direkt aneinander liegenden Folien. Diese werden jeweils auseinander gezogen.

Nähert man die Folienhälften einander an, so lassen sich folgende Beobachtungen machen:

  • Entweder stoßen sich zwei Folienhälften ab (in der Abbildung die Folien A und B)
  • Oder die Folienhälften ziehen sich einander an (A und C)

Schlussfolgerung:
Es gibt zwei verschiedene Arten von Ladung, die entweder anziehnd oder abstoßende Kräfte aufeinander ausüben. Zur Unterscheidung bezeichnen wir sie mit "+" beziehungsweise mit "-".

Hypothesen:

  • 1.1 Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an
  • 1.2 Ungleichnamige Ladungen stoßen sich ab, gleichenamige ziehen sich an

=> Welche der beiden Hypothesen richtig ist, untersuchen wir im nächsten Abschnitt.

Zusammengefasst:

  • Es gibt zwei verschiedene "Arten" elektrischer Ladungen
  • Die einen Ladungen nennen wir positiv, kurz "+". Die anderen nennen wir negativ, kurz "-"

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab!

Experiment:
Zwei Strohhalme werden an Zwirnfäden befestigt. An diesen Zwirnfäden können sie frei hängend aufgehängt werden. Zuvor werden die Strohhalme aber aufgeladen, in dem sie aneinandergedrückt durchs Haar gezogen werden. Sie haben also beide die gleiche Ladung.
Beobachtung
Lässt man die Strohhalme frei hängen, so stoßen sie sich ab:

Schlussfolgerung:
Gleichnamig geladene Strohhalme stoßen sich ab, deshalb wird die Hypothese 1.2 verworfen!

Zusammengefasst:

  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab
  • Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an

Die Funktionsweise des Elektroskop

Ein Elektroskop besteht aus einer Elektroskopplatte, einem Elektroskopstab und einem Zeiger, die leitend miteinander verbunden sind. Durch Kunststoff isoliert man sie so, dass ladungen nicht von diesen Bauteilen abfließen können.

Experiment und Beobachtung:
Wir legen eine geladene Folie auf ein Elektroskop und beobachten, dass der Zeiger des Elektroskops ausschlägt.

Erklärung:
Die Ladungen gehen von der geladenen Folie auf das Elektroskop über und verteilen sich auf Platte, Stab und Zeiger.

Egal ob das Elektroskop dabei positiv oder negativ geladen wurde - in beiden Fällen sind Elektroskopstab und -zeiger gleichnamig geladen, und da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, schlägt der Zeiger aus.

Zusammengefasst:

  • Durch ein Elektroskop kann man nachweisen, ob ein Körper elektrisch geladen ist.
  • Man kann nicht feststellen, welche Art der Ladung (positiv oder negativ) vorliegt.

Neutralisation von Ladungen

Ein Gefrierbeutelstreifen wird getrennt und die beiden Streifenhälften werden auf die Platten unterschiedlicher Elektroskope gelegt. => Diese schlagen aus...

... aber was passiert, wenn man die beiden Platten jetzt in Berührung bringt?

Verblüffenderweise geht der Ausschlag der Elektroskope zurück, nachdem ihre Platten miteinander in Berührung gebracht wurden.

Erklärung:
Offenbar heben sich die Wirkungen positiver und negativer Ladungen auf, wenn sie zusammengeführt werden.

Doch - vernichten sich die Ladungen dabei auch, wenn sie zusammenfließen? - Dieser Frage gehen wir im nächsten Abschnitt nach.

Zusammengefasst:

  • Bringt man zwei gleich große positive und negative Ladungen zusammen, neutralisieren sich ihre Wirkungen.

Ladungen in neutral geladenen Körpern?

Wenn sich zusammenfließende positive und negative Ladungen gegenseitig vernichten würden, wären neutral geladene Körper ladungsfrei. Hierzu machen wir ein Experiment:

Experiment Wir pressen eine neutral geladene Folie auf ein neutral geladenes Elektroskop. Anschließend ziehen wir die Folie von dem Elektroskop herunter.
Beobachtung und Erklärung: Das Elektroskop schlägt jetzt mit dem Herunterziehen der Folien aus! Wie lässt sich das erklären?
Offenbar besteht das neutral geladene Elektroskop nun doch aus positiven wie negativen Ladungen, die im Gleichgewicht sind. Durch das Herunterziehen der Folie nimmt die Folie offensichtlich einen Teil der einen Ladungen (z.B. der negativen) mit dadurch enthält das Elektroskop einen Überschuss an den Ladungen der anderen Sorte (hier z.B. positiv), wodurch es ausschlägt.

Experiment: Legt man jetzt die Folie auf ein weiteres, neutrales Elektroskop, so müsste es die überschüssigen Ladungen der Folie aufnehmen und dabei dann ebenfalls ausschlagen.
Das Experiment bestätigt diese Vermutung.

Zusammengefasst:

  • Elektrisch neutrale Körper beinhalten positive und negative Ladungen in gleichen Mengen.
  • Positive und negative Ladungen vernichten sich nicht, wenn sie zusammenfließen, sondern heben sich nur in ihrer Wirkung auf.

Das Elektronengasmodell elektrischer Leiter

Wir haben durch obige Experimente festgestellt, dass es soetwas wie Ladungen gibt. Um beide Ladungs"arten" voneinander zu unterscheiden, haben wir sie mir + und - bezeichnet. Doch: Wie können wir uns diese Ladungen vorstellen? Was ist das, was in metallischen Körpern offenbar hin- und herfließen kann?

Eine Sache ist sicher: Wir können Ladungen selbst nicht sehen. Wir können eine Vorstellung davon entwickeln, wie man sich die Ladungen vorstellen könnten - diese Vorstellung ist aber nichts anderes als ein Modell. Mit Modellen versucht man in der Physik die Bereiche unserer Materiellen Umgebung zu beschreiben, die unseren Sinnen nicht zugänglich sind, die aber dennoch existieren.

Ladungen in metallischen Körpern werden durch das sogenannte Elektronengasmodell beschrieben:
Modellvorstellung:

  • In metallischen Leitern existieren positive und negative Ladungen
  • Die positiven Ladungen liegen an festen Positionen in metallischen Körpern, die negativen Ladungen sind dagegen beweglich.
  • Metallische Körper, die gleich viele positive wie negative Ladungen besitzen, sind neutral geladen.
  • Gibt man zusätzliche negative Ladungen auf einen metallischen Körper, so hat er einen Überschuss an negativen Ladungen und ist dementsprechend negativ geladen.
  • Entzieht man einem neutral geladenen metallischen Körper negative Ladungen, so bleiben die festen positiven Ladungen an ihren Positionen und überwiegen schließlich. Ein Körper mit einem solchen Überschuss an positiven Ladungen ist positiv geladen.


Das Elektronengasmodell wird in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt:

Zusammengefasst:

  • Unsere Experimentellen Beobachtungen lassen sich mit dem Elektronengasmodell beschreiben.
  • In diesem Modell sitzen die positiven Ladungen fest. Nur die negativen Ladungen können sich bewegen.

Leiter und Nichtleiter

Körper/Stoffe besitzen die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit basiert auf mehr oder weniger beweglichen/freien Elektronen in einem Stoff.

Man klassifiziert:

  1. Leiter: Leiter können die Ladungen weiterleiten. Dazu müssen bewegliche Ladungsträger in einem Körper vorhanden sein, die Ladung transportieren können. Zu dieser Stoffgruppe zählen die Metalle, wie zum Beispiel Eisen, Kupfer, oder Zink (etc.). Aber auch einige nicht metallische Stoffe können Ladungen leiten. Dazu gehören unter anderem Graphit oder Aktivkohle.
  2. Schlechte Leiter: Stoffe können die Ladungen nur bedingt leiten, also lediglich schwach, wie zum Beispiel Wasser und andere Lösungen.
    Andererseits fallen in diese Kategorie auch Stoffe, die elektrischen Strom z.B. in Abhängigkeit der Temperaturleiten; sprich Leiter und Isolatoren sein können.
  3. Nichtleiter/Isolatoren: Isolatoren können die Ladungen nicht weiterleiten, aufgrund ihrer atomaren/molekularen Struktur. Die Valenzelektronen liegen bei diesen Stoffen nicht "frei" vor, sondern befinden sich lediglich auf der Valenzelektronenschale des Atoms. Sie werden auf der Bahn um den Atomkern festgehalten und können im Gegensatz zu den Leitern nicht zum Ladungstransport beitragen. Typische Isolatoren sind Plastik, Styropor, Glas, usw.
    Man findet diese z.B. an Stromkabeln. So kann man auch bei anliegender Spannung das Kabel anfassen ohne mit dem Strom in Berührung zu kommen.

Zusammengefasst:

  • Stoffe leiten den Strom unterschiedlich gut.
  • Stoffe, die den Strom gut leiten, nennen wir Leiter
  • Stoffe, die den Strom nicht leiten, nennen wir Isolatoren.

Kondensatoren als Ladungsspeicher

Kondensatoren sind Speicher für Ladungen. Sie bestehen aus zwei voneinander isoloierten, gegenüberstehenden Platten. Die Platten werden geladen, indem man sie an den Minus- bzw. Pluspol einer Stromquelle anschließt:

Die Ladungen können aus dem Metall nicht austreten - sie werden auf den Platten gespeichert.

Neben den klassischen Kondensatorplatten gibt es viele unterschiedliche Bauweisen von Kondensatoren. Allen gemeinsam ist, dass sie aus je zwei Metallflächen bestehen: Aus einer Fläche werden Negative, auf der anderen Fläche die positiven Ladungen gespeichert.

Zusammengefasst:

  • Mit Kondensatoren können elektrische Ladungen gespeichert werden.

Freie Beweglichkeit negativer Ladungen

Beim Elektronengasmodell sind wir wie selbstverständlich davon ausgegangen, dass negative Ladungen in metallischen Leitern beweglich sind, während die positiven Ladungen an festen Positionen sitzen. Doch geht es nicht auch umgekehrt? Weshalb sollen ausgerechnet die negativen Ladungen beweglich sein?
Um dies festzustellen planen wir ein Experiment!

Experiment
Erhitzt man einen Glühdraht immer weiter, so bewegen sich die Atome, aus denen er besteht, immer schneller. Ab einer gewissen Temperatur bewegen sie sich so schnell, dass sie ihre festen Positionen im Drah verlassen und abdampfen: Der Draht vergast.
Bevor dies passiert müssten die frei beweglichen Ladungsträger den Draht verlassen - sie müssten fortlaufend von den sich bewegenden Atomen gestoßen werden, bis zumindest einige von ihnen aus dem Draht geschleudert werden.

Weil die beweglichen Ladungen zuerst aus dem Draht geschleudert werden müssten, können wir mit dem folgenden Experiment prüfen, ob sie negativ oder positiv geladen sind:

Links und rechts sind in der Abbildung die Platten eines Kondensators gezeigt. Aus dem Glühdraht treten freie Ladungsträger aus. Wären die Platten geladen wie in der Abbildung und hätten die frei beweglichen Ladungsträger negative Ladung, so müssten sie sich in der Abbildung nach rechts bewegen, auf die rechte Platte treffen und über das Strommessgerät abfließen.
Wären die freien Ladungsträger dagegen positiv geladen, würden sie nach links fliegen und man würde keinen Strom messen. Erst, wenn man die Polung der Platte vertauscht, könnte man in diesem Fall einen Strom an Ladungen durch das Messgerät feststellen.

Beobachtung und Schlussfolgerung: Das Strommessgerät zeigt nur dann einen Ladungsfluss an, wenn die Platte auf der Seite des Strommessgerätes positiv geladen ist. Das heisst, dass die Ladungen negativ sind, welche aus dem Glühdrat austreten und zur "+"-Platte hin beschleunigt werden. Lädt man die rechte Platte negativ auf, so zeigt das Messgerät keinen Ladungsfluss an. Es treten demnach keine positiven Ladungsträger aus. Wir können also endgültig sagen:

Zusammengefasst:

  • In Metallen sind nur die negativen Ladungsträger beweglich. Die positiven sitzen fest.

Influenz

Experiment:
Eine geladene Folie wird der Platte eines neutral geladenen Elektroskops angenähert, ohne es zu berühren.
Beobachtung:
Überraschenderweise schlägt das Elektroskop aus, ohne dass die Folie es berührt und somit ohne, dass Ladungen auf das Elektroskop überspringen konnten. Entfernt man die Folie wieder, geht der Ausschlag wieder zurück. Wie lässt sich das erklären?

Erklärung:

Das Elektroskop ist anfangs neutral geladen. Nehmen wir an, die sich annähernde Folie wäre positiv geladen. Dann werden wegen der elektrostatischen Anziehungskräfte viele der negativen Ladungen des Elektroskops nach oben auf die Platte gezogen. Dadurch fehlen sie jedoch im unteren Bereich des Elektroskops. Dort sind negative und positive Ladungen dann nicht mehr im Gleichgewicht, die positiven Ladungen überwiegen. Also stoßen sich Elektroskopstab - und zeiger aufgrund der gleichnamigen Ladung ab und man beobachtet den Ausschlag.

Im Elektroskop werden also alleine durch die Anwesenheit der Folie positive und negative Ladungen getrennt. Diese Form der Ladungstrennung kommt besonders häufig vor. Man spricht daher von der Ladungstrennung durch Influenz.

Zusammengefasst:

  • Ein geladener Körper bewirkt Kräfte auf die Ladungen eines neutral geladenen Körpers in der Nähe.
  • Sind die Ladungen im neutralen Körper beweglich, werden sie dadurch getrennt. Man spricht von Influenz.

Die Influenzmaschine nach Kelvin

Mit der Kelvin'schen Influenzmaschine lassen sich positive und negative Ladungen ohne äußeres Zutun trennen. Sie funktioniert auf der Basis von Wassertropfen, die durch Metallröhren hindurchtropfen:

Die Hülsen und die Tropfen laden sich nach einiger Zeit so stark auf entgegengesetzt auf, dass die Wassertropfen zerbersten und wegen der elektrostatischen Anziehungskräfte deutlich sichtbar ihre Flugbahn ändern. So kann man zuerst zusehen, wie die Tröpfchen so sehr abgelenkt werden, dass sie garnicht mehr unten im Metallbecher ankommen und dann etwas später sogar noch beobachten, dass sie wieder "nach oben" fliegen weil die Feldstärke eine größere Kraft auf sie auswirkt als die Gravitation. Das folgende Video zeigt den eindrucksvollen Effekt. Statt einer Metallröhre wurde hier ein gebogener Draht verwendet. (Kelvinmaschine aufgebaut von Jendrik Seip)

VIDEO ZUR KELVIN-MASCHINE

Wie funktioniert die Kelvin-Maschine?
Im Idealfall gibt der Wasserhahn einen dünnen Wasserfaden ab, der in den Metallröhre in einzelne Tropfen abreißt. Durch Zufall befindet sich in einen Wassertropfen des linken Wasserhahns geringfügig mehr negative Ladungen als positive. Das kann folgende Ursache haben: Wenn der Tropfen vom Wasserfaden abreißt, kann es ein, dass zufällig einige Elektron zu viel mit abreißen, welches dem Wasserfaden dann fehlt.

Fällt der Tropfen in den linken Metallbecher, so läd sich dieser negativ auf. Da er mit der rechten oberen Metallröhre verbunden ist, werden die Ladungen auf beide Körper gleich verteilt.

Wenn nun rechts oben das Röhrchen negativ geladen ist, dann gibt es einen INFLUENZEFFEKT: Jetzt werden, wegen der elektromagnetischen Abstoßung, im rechten Wasserfaden Elektronen noch aus dem Wasserfaden zurück in die Leitung getrieben. Dadurch fallen rechts vermehrt Tröpfchen mit positiver Ladung aus dem Hahn und diese landen dann in dem rechten unteren Becher.

Dieser läd sich also gleichfalls positiv auf. Genauso, wie das (durch das Kabel verbundene) obere linke Röhrchen. Auf der anderen Seite der Konstruktion, auf der linken Seite passiert also alles gleichzeitig wie rechts nur genau "umgekehrt": Wegen der positiven Ladung des Metallrohrs werden hier Elektronen aus den Wasserhahn in den Strahl gezogen. Die abreißenden Tropfen sind dann allesamt negativ geladen und verstärken die negative Ladung des linken unteren Metallbechers.

Dies ist ein fortlaufend SELBSTVERSTÄRKENDER Effekt, der durch die Ladungstrennung unglaublich stark aufgeladene Metallbecher und - röhren erzeugen kann.

Tipp zum "Selberbauen": Die Maschine würde auch ohne eine Startladung funktionieren, jedoch braucht man dafür etwas mehr Zeit. Wenn man sich nicht so sehr auf die Folter spannen will, gibt man einfach einem Becher eine geringe Startladung... Das kann sogar eine durch ein Katzenfell erzeugte Ladung sein.
--> wenig genügt bereits.

Zusammengefasst:

  • Mit einer Kelvinmaschine können Ladungen durch Influenz voneinander getrennt werden.

Dipole

Experiment: Wir halten eine negativ geladene Folie in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls und beobachten, dass der Strahl offensichtlich von der Folie angezogen wird. Heißt das, dass Wasser prinzipiell positiv geladen ist?
Zur Kontrolle halten wir jetzt eine positiv geladene Folie in die Nähe des Strahls. Wäre Wasser immer positiv geladen, müssten sich Folie und Strahl jetzt abstoßen. Überraschenderweise beobachten wir aber, dass auch die positiv geladene Fole den Wasserstrahl anzieht. Wie lässt sich das erklären?

Wassermoleküle bestehen aus zwei H-Atomen (Wasserstoff) und einem O-Atom (Sauerstoff). Weil das O-Atom die Elektronen des Moleküls stärker an sich bindet, ist das Molekül bei den H-Atomen positiv und beim O-Atom negativ geladen. Das Wasserstoffmolekül bildet einen sogenannten Dipol:

Ein Teilchen heißt Dipol, wenn es zwar insgesamt neutral geladen ist, die Ladungen in ihm aber so verteilt sind, dass es zwei Pole besitzt.
Wie in der Abbildung dargestellt, drehen sich die Moleküle im Wasser so, dass immer die entgegengesetzte Ladung der Folie näher ist. Somit wird der dünne Wasserstrahl in beiden Fällen angezogen.

Zusammengefasst:

  • Neutral geladene Körper oder Teilchen, die aufgrund einer ungleichen Ladungsverteilung eine positiv geladene und eine negativ geladene Seite aufweisen, nennt man Dipol.

Induzierte Dipole

Bei Wassermolekülen ist der dipolare Charakter - also die oben angesprochene Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls - naturgegeben. Dipole lassen sich aber auch von außen induzieren:

Experiment: Eine neutrale Aluminiumkugel wird an einem Zwirnfaden aufgehängt. Nähert man eine geladene Folie dieser Kugel an, ohne sie zu berühren, so wird die Kugel in Richtung der Folie gezogen.

Erklärung: Angenommen, die Folie ist positiv geladen. Dann werden die in der insgesamt neutralen Aluminiumkugel enthaltenen negativen Ladungen zur Folie hin gezogen. Die eine Hälfte der Kugel bekommt dadurch einen Elektronenüberschuss, die andere einen Elektronenmangel. Die Kugel selbst wird somit zu Dipol - denn sie hat jetzt eine positiv und eine negativ geladene Hälfte.
Da die negativ geladene Hälfte näher an der positiv geladenen Folie ist, als die positiv geladene Hälfte, wird die Kugel angezogen.

Experiment: Auf einem Tisch liegende Grieskörner werden sowohl von einer negativ geladenen, als auch von einer positiv geladenen Folie angezogen.
Erklärung: Durch die Influenz verrücken die in den Grieskörnern fest sitzenden Ladungen etwas, wodurch kleine Dipole entstehen.

Zusammengefasst:

  • Durch Influenz kann man bewirken, dass ein neutraler Körper zum Dipol wird. Man spricht von induzierten Dipolen.