Elektrische Felder 01 (Elektrische Ladung)

3. Elektrische Felder
Das dem Menschen wohl am längsten bekannte elektrische Phänomen ist der Blitz. Aufgrund der
Urgewalt von Blitzen wurden diese in der Antike Gottheiten wie dem Donnergott Thor
zugeschrieben. In der nordischen Mythologie kämpft der Donnergott Thor mit seinem Hammer
gegen Riesen oder andere Wesen aus der nordischen Götterwelt. Trifft der Donnergott einen Gegner
mit seinem Hammer so entstehen Blitz und Donner.
[18] Thor
Erst Mitte des 18. Jahrhunderts konnte Benjamin Franklin durch lebensgefährliche Experimente
während eines Gewitters nachweisen, dass es sich bei Blitzen um ein natürliches Phänomen handelt.
Hierzu lies Franklin während eines Gewitters einen Drachen an einer Metallschnur aufsteigen in den
wie bei einem Blitzableiter Blitze einschlugen. Franklin konnte zeigen, dass bei einem Blitz starke
elektrische Ströme durch die Drachenschnur fließen. Er erkannte, dass Blitze entstehen, wenn sich
Wolken elektrisch aufladen und sich hierdurch zwischen der Gewitterwolken und dem Erdboden eine
starke elektrische Spannung aufbaut. Erreicht die Spannung eine bestimmte Stärke, so kommt es zu
einer Entladung der Gewitterwolke, die in Form eines hellen Lichtbogens, dem Blitz sichtbar wird.
3.1 Die elektrische Ladung
Elektrische Ladungen können in einem einfachen Experiment nachgewiesen werden. Reibt man mit
einem aufgeblasenen Luftballon an einem Wollpullover, so lädt sich der Luftballon hierdurch
elektrisch auf. Nähert man sich dann mit dem Luftballon einem Menschen mit langen Haaren so
werden die Haare vom Luftballon angezogen.
© M. Brennscheidt
In der Physik verwendet man zum Nachweis von elektrischen Ladungen sog. Elektroskope. Ein
Elektroskop besteht aus, einer gegenüber dem Erdboden isolierten Halterung und einem
beweglichen Zeiger. Sowohl Halterung als auch Zeiger sind aus Metall.
Reibt man mit einem Katzenfell an einem Plastikstab, so wird dieser durch die Reibung negativ
elektrisch aufgeladen. Berührt man nun mit dem geladenen Plastikstab das Elektroskop, so schlägt
der Zeiger des Elektroskops aus.
Bei der Berührung mit dem geladenen Plastikstab werden negative elektrische Ladungen auf das
Elektroskop übertragen. Diese verteilen sich gleichmäßig auf die Halterung und den Zeiger und
stoßen sich gegenseitig ab. Der Zeiger des Elektroskops schlägt somit aus. Berührt man das
Elektroskop dann mit der Hand, so fließen die Ladungen direkt über den menschlichen Körper ab und
der Zeigerausschlag geht zurück.
© M. Brennscheidt
Ein analoger Versuch kann mit einem Glasstab durchgeführt werden. Dieser wird jedoch im
Gegensatz zum Plastikstab durch Reibung positiv aufgeladen. Auch hier schlägt der Zeiger des
Elektroskops bei Berührung aus, da sich auch positive Ladungen gegenseitig abstoßen.
Anmerkung: Ob sich ein Körper durch Reibung positiv oder negativ auflädt ist materialabhängig.
Einige Materialien geben zum Beispiel sehr gerne Elektronen ab, wohingegen andere Materialien
gerne Elektronen aufnehmen. Dieses Verhalten wird in der Chemie mit Elektronegativität bezeichnet.
Eine genaue physikalische Erklärung der Aufladung durch Reibung ist jedoch sehr komplex und bis
heute noch nicht vollständig verstanden.
Zusammenfassung:
Alle Körper bestehen aus positiv geladenen Atomkernen, die von negativ geladenen Elektronen
umgeben sind. Einige Körper lassen sich durch Reibung elektrisch aufladen. Ist ein Körper negativ
geladen, so besitzt er einen Überschuss an Elektronen, das heißt er besitzt mehr negative als positive
Ladungen. Ist ein Körper elektrisch positiv geladen, so besitzt er einen Mangel an Elektronen, das
heißt er besitzt mehr positive als negative Ladungen. Ist die Anzahl der negativen Ladungen gleich
der Anzahl der positiven Ladungen so nennt man den Körper elektrisch neutral.
Sind zwei Körper gleichnamig geladen, so stoßen sie sich gegenseitig ab. Zwei ungleichnamig
geladene Körper ziehen sich gegenseitig an.
Elektrische Ladungen können weder zerstört noch erzeugt werden. Sie können lediglich auf andere
Körper übertragen werden. Es gilt der sog. „Ladungserhaltungssatz“: In einem abgeschlossenen
System ist die Summe der elektrischen Ladungen konstant.
3.2 Influenz und Polarisation
Reibt man mit einem Katzenfell an einem Plastikstab so wird der Plastikstab negativ elektrisch
aufgeladen. Die elektrische Ladung kann durch Berührung auf ein Elektroskop übertragen werden,
das dann ausschlägt. Beobachtet man diesen Vorgang jedoch genauer, so ist zu erkennen, dass das
Elektroskop bereits ausschlägt bevor es mit dem Stab in Kontakt gekommen ist. Erstaunlicherweise
reicht bereits die Nähe des geladenen Stabes aus, um einen Einfluss auf das Elektroskop zu haben.
Dieser Effekt wird elektrische Influenz, zu Deutsch elektrische Beeinflussung genannt.
Die Influenz kann wiederum durch die Abstoßung von gleichnamigen Ladungen erklärt werden.
Nähert man sich mit dem negativ geladenen Stab dem Elektroskop, so werden die negativen
Ladungen im oberen Teil des Elektroskops von den negativen Ladungen im Plastikstab abgestoßen
© M. Brennscheidt
und wandern nach unten in Richtung Halterung und Zeiger. Im oberen Teil des Elektroskops herrscht
somit Elektronenmangel wohingegen im unteren Teil, also die Halterung und der Zeiger Elektronenüberschuss herrscht. Die Elektronen in Halterung und Zeiger stoßen sich nun gegenseitig ab und der
Zeiger schlägt aus.
Entfernt man den Plastikstab wieder, ohne dass das Elektroskop berührt wurde, so gleichen sich die
Ladungen im Elektroskop wieder aus und der Zeigerausschlag geht zurück.
Definition:
Die Trennung von Ladungen in einem elektrisch leitenden Körper unter dem Einfluss
eines äußeren geladenen Körpers wird Influenz genannt.
Ein ähnlicher Effekt ist zu beobachten, wenn man sich mit einem geladenen Plastikstab einem
zweiten Plastikstab nähert, der auf einer Nadel frei drehbar gelagert ist. Obwohl dieser ungeladen ist
wird er vom geladenen Plastikstab angezogen. Dieser Effekt ist zunächst erstaunlich, da sich die
Ladungen in einem Isolator nicht wie in einem Metall frei verschieben lassen. Als Erklärung kann
somit elektrische Influenz ausgeschlossen werden.
© M. Brennscheidt
Betrachtet man den Isolator jedoch auf molekularer Ebene so ist zu beobachten, dass sich die
Moleküle unter Einfluss der äußeren Ladung ausrichten. Der Körper wird polarisiert. Obwohl sich die
Moleküle nicht frei bewegen können wird durch die Ausrichtung bewirkt, dass eine Seite des Körpers
positiv geladen und die andere Seite negativ geladen ist. Die positiv geladene Seite des Plastikstabes
zieht deshalb den negativ geladenen Plastikstab an.
Definition:
Die Ausrichtung von Ladungsträgern (Molekülen) in einem nichtleitenden Köper
unter dem Einfluss eines äußeren geladenen Körpers wird Polarisation genannt.
© M. Brennscheidt