Alle Stoffe, die wir kennen, sind aus Atomen aufgebaut. Jedes dieser Atome besteht wiederum aus noch kleineren Bestandteilen. Für die Elektrizität und den Magnetismus sind insbesondere die positiv geladenen Protonen des Atomkerns sowie die negativ geladenen Elektronen der Atomhülle von Bedeutung. Show Die ersten Elemente des Periodensystems im Atomschalenmodell. Vereinfacht lassen sich Elektronen als kleine Teilchen auffassen, die auf kugelartigen Bahnen den Atomkern umkreisen, ähnlich wie die Planeten unseres Universums die Sonne umkreisen. Da die Elektronen auf den inneren Bahnen („Schalen“) sehr fest an den Atomkern gebunden sind, kommen sie als Ladungsträger für den elektrischen Strom nicht in Frage. Die elektrischen Eigenschaften eines Stoffes werden somit (fast) ausschließlich durch diejenigen Elektronen beeinflusst, die sich auf der äußersten Schalte befinden („Valenzelektronen“). Allgemein gilt für jedes chemische Element:
Alle in der Realität vorkommenden elektrischen Ladungsmengen setzen sich aus den Ladungen der Elektronen und Protonen zusammen. Einheit:
Mittels dieser Festlegung kann man ebenso sagen, dass ein Elektron eine Ladung von Ladungstrennung¶Unter bestimmten Bedingungen können Elektronen von einem Körper abgetrennt und von einem anderen Körper zusätzlich aufgenommen werden. Durch derartige Vorgänge werden Körper elektrisch geladen. Dabei gilt stets:
Die Gesamtmenge an Ladung bleibt bei jeder Ladungstrennung erhalten. In Festkörpern lassen sich durch Reibung nur Elektronen von einem Körper auf einen anderen übertragen. In Flüssigkeiten und Gasen sind auch die positiven Ladungsträger beweglich. Beispiel:
Ob ein Körper durch einen Reibungsvorgang positiv oder negativ aufgeladen wird, hängt von der Art der beteiligten Stoffe ab. Reibt man zwei Körper aneinander, so gibt der näher am Pluszeichen der so genannten „kontaktelektrischen Spannungsreihe“ stehende Stoff Elektronen ab und wird elektrisch positiv. Der näher am Minuszeichen stehende Stoff nimmt Elektronen auf und wird elektrisch negativ. Die kontaktelektrische Spannungsreihe (Ausschnitt). Bandgeneratoren Mit einem Bandgenerator lässt sich eine Ladungstrennung durch Reibung in erheblichem Umfang und beliebig oft wiederholen. Dazu wird ein elastisches Gummiband mit einer Kurbel oder einem Elektromotor angetrieben:
Aufbau eines Bandgenerators. Bei kontinuierlichem Betrieb können sich zwischen den Metallkugeln des Bandgenerators so hohe elektrische Spannungen aufbauen, dass kleine Blitze auftreten können: Elektronen „springen“ dann in einem Sekundenbruchteil und mit hellem Leuchten von der kleinen, elektrisch negativen Kugel auf die große, elektrisch positiv geladene Kugel über. Dabei kommt es zu einem Ladungsausgleich, und beide Kugeln werden entladen. Ladungsausgleich und Ladungsnachweis¶Wird ein geladener Körper über einen Metalldraht oder einen ähnlichen leitenden Kontakt mit dem Erdboden verbunden, so kommt es zu einer Entladung. Diesen Vorgang bezeichnet man als „Erden“.
Da die Erde über einen gigantischen Vorrat an leicht beweglichen Elektronen verfügt und dadurch jeder Ladungsunterschied unmittelbar ausgeglichen wird, ist eine elektrische Aufladung der Erde selbst bei Kontakt mit größeren Ladungsmengen unmessbar klein. Die Erde kann daher stets als elektrisch neutral betrachtet werden.[1] Experimentell nachweisen kann man Ladungen beispielsweise anhand der Kräfte, die zwischen geladenen Körpern wirken:
Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern. Je stärker zwei Körper elektrisch geladen sind, desto stärker sind die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Quantitativ kann die zwischen zwei geladenen Körpern wirkende elektrostatische Kraft durch das Coulombsche Gesetz bestimmt werden, das im Abschnitt Elektrische Felder näher beschrieben ist. Elektroskope Ein Elektroskop besteht aus einem (meist gebogenen) Metallstab, an dem ein Zeiger leicht drehbar angebracht ist. Der Metallstab besitzt am oberen Ende eine Kontaktfläche und ist durch eine Halterung aus Kunststoff isoliert. Der drehbare Zeiger ist unten etwas schwerer, so dass er im Grundzustand senkrecht ausgerichtet ist. Aufbau eines Elektroskops.
Funktionsweise eines Elektroskops.
Mit einem Elektroskop kann man somit die Menge einer elektrischen Ladung messen, jedoch nicht, ob es sich um positive oder negative Ladung handelt. Glimmlampen Eine Glimmlampe besteht aus einem Glaskolben, in dem zwei Metalldrähte so eingeschmolzen sind, daß sie einander dicht gegenüberstehen, sich jedoch nicht berühren. Der Glaskolben ist mit einem Gas, meist Neon, unter geringem Druck gefüllt. Aufbau einer Glimmlampe. Glimmlampen werden zum Ladungsnachweis bei hohen elektrischen Spannungen (mindestens 180 Volt) eingesetzt. Berührt man mit einem leitenden Kontakt der Glimmlampe einen negativ geladenen Körper, beispielsweise die kleine Metallkugel eines geladenen Bandgenerators, so leuchtet die Umgebung des anliegenden Metalldrahts in der Glimmlampe auf. Mit einem Elektroskop oder einer Glimmlampe kann nur nachgewiesen werden, ob ein Körper elektrisch geladen ist oder nicht. Eine quantitative Aussage, wie stark ein Körper elektrisch geladen ist, ist mit diesen beiden Hilfsmitteln jedoch nicht möglich. Zur besseren Handhabung werden Glimmlampen – ähnlich wie Batterien – häufig mit einer Fassung versehen. Auf diese Art kann kann eine Glimmlampe mit geeigneten Steckern in einen Stromkreis eingebaut werden und als „Kontroll-Leuchte“ für eine anliegende Netzspannung dienen. Anmerkung:
Warum ist ein Atom nach außen hin neutral geladen?Wie sind Atome nach außen elektrisch geladen und warum? Atome sind nach außen elektrisch neutral, da die gleiche Anzahl negativer Elektronen und positiver Protonen bestehen.
Welche Teilchen im Atom sind neutral geladen?Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen. In einem Atom entspricht die Anzahl der Elektronen in der Hülle immer der Anzahl der Protonen im Kern.
Welche Atome sind elektrisch neutral welche nicht?Das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral, d.h. die Zahl der Protonen im Kern ist gleich der Zahl der Elektronen in der Hülle. Hat ein Atom zu viele oder zuwenig Elektronen in der Hülle, so ist es nicht mehr elektrisch neutral, sondern negativ oder positiv geladen; es wird als Ion bezeichnet.
Wie wird die Ladung der Protonen in einem neutralen Atom ausgeglichen?Wird einem neutralen Atom Elektronen entnommen, so besitzt das Atom mehr positive als negative Ladungen. Das Atom zieht negative Ladungen an und stößt positive Ladungen ab. Wird einem neutralen Atom Elektronen zugeführt, so besitzt das Atom mehr negative als positive Ladungen.
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