Schulphysik 2 - Physik Uni

Ladungen
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Elektrostatik
Bereits im Altertum wusste man, dass geriebener Bernstein (griechisch: elektron)
leichte Körper anzieht.
„Reibungselektrizität“
Versuch: Streiche Luftballone mit einem Glasstab!
1. Glasstab mit Seide, Leder reiben.
2. Glasstab mit Fell, Wolle reiben.
Bei Annäherung gibt es zwei Möglichkeiten:
•
•
Luftballone ziehen sich an
Luftballone stoßen sich ab
Elektronenaffinität: Vermögen eines neutralen Isolators, Elektronen aufzunehmen (z.B. Teflon, PolyTetraFluorEthylen)
Daraus schloß man, dass es zwei verschiedene Typen von Ladungen geben muss.
Georg Christoph Lichtenberg (1778)
legte (willkürlich) die beiden Ladungsarten als „+“ und „-“ fest.
(Fall 1. gibt positiven und Fall 2. gibt negativen Ladungsüberschuß).
•
•
Körper mit gleicher Ladung stoßen einander ab
Körper mit ungleicher Ladung ziehen einander an
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Die Natur der Ladung
„ … The conception of electrical particles or atoms goes back … to Benjamin
Franklin who wrote about 1750: "The electrical matter consists of particles
extremely subtle since it can permeate common matter, even the densest, with
such freedom and ease as not to receive any appreciable resistance.“ ….“
Robert A. Millikan,
Nobel-Vortrag am 23. Mai 1924
www.nobelprize.org
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Die Elementarladung
• Da die elektrische Kraft, die ein geladener Körper in einem
elektrischen Feld erfährt, von der Ladung des Körpers und der
Feldstärke abhängt, kann bei bekannter Kraft bzw. Feldstärke die
Ladung des Körpers bestimmt werden.
• Diese Messmethode hat der amerikanische Physiker Robert Andrews
Millikan (1910) benutzt, um die winzigen Ladungen kleiner
Öltröpfchen zu bestimmen.
• Millikan erhielt 1923 für den Nachweis der Quantelung der
elektrischen Ladung (Elementarladung) den Nobelpreis.
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Bei der Ermittlung der
Ladung von einzelnen Öltröpfchen kam Millikan
immer wieder auf ganz
bestimmte Werte, die sich
jeweils als ganzzahlige Vielfache einer Elementarladung
e = 1,602 •10-19C zeigten.
http://www.roro-seiten.de
Diese Ergebnis zeigt, dass es eine kleinste, immer gleiche Ladung e gibt,
von der alle Ladungen Q ganzzahlige Vielfache sind: Q = n • e
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Rutherfords Atommodell
•
•
•
•
In den Jahren 1903 - 1913 führte Ernest Rutherford seine Streuexperimente durch, um
die Masseverteilung in einem Atom zu bestimmen, indem er Goldfolie mit geladenen
Teilchen beschoss. Er beobachtete,
daß die allermeisten ungehindert durch die Folie hindurchgingen.
daß einige wenige rückwärts gestreut wurden.
daß einige, wie bei ungleichen Ladungen, aus ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt
wurden.
Erkenntnisse:
• Atome haben viel „leeren Raum“.
• Die stärkste Streuwirkung wird durch „Atomkerne“ verursacht:
 mechanischer Stoß zeigt, daß nahezu die gesamte
Masse im Atomkern konzentriert ist
(„Kirschkern im Eifelturm“).
 elektrische Ablenkung zeigt, daß die gesamte positive Ladung
des Atoms der Atomkern trägt.
Also: Die gesamte negative Ladung trägt die Atomhülle.
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Schalenstrukturmodell
•
Atome geben leicht Elektronen ab bzw. nehmen leicht Elektronen auf, wenn
die dadurch entstehenden Ionen eine äußere Schale mit 8 Atomen aufweisen
(„Oktettregel“ für C, N, O und F; „äußere Schale“ = Hauptquantenzahl).
• Diesen energetisch günstigen Zustand nennt man „Edelgaskonfiguration“.
• Die Wertigkeit gibt an, ob und wie viele Elektronen angenommen oder
abgegeben werden, um diesen Zustand zu erreichen.
Calcium: 2-wertig
Chlor: 1-wertig
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Ladungen auf leitenden Oberflächen
• Auf leitenden Oberflächen sind Ladungen frei beweglich.
• Gleichnamige Ladungen verteilen sich aufgrund der abstoßenden
Kraftwirkung gleichmäßig.
Die hat zur Folge:
• Feldverstärkung an Spitzen (Blitzableiter)
• Ladungen sitzen auf leitenden Hohlkörpern
stets außen (Faraday‘scher Käfig)
Juni 1902
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Natürlicher Ladungsausgleich – Der Blitz
•
•
•
Aufwinde im Inneren der Gewitterwolke
bewirken eine Ladungstrennung.
Am oberen Rand befinden sich positiv geladene
Eiskristalle, am unteren Rand negativ geladene
Wassertröpfchen.
Ladungsaustausch zwischen Eiskristallen und
Wassertröpfchen
„Wolkenblitz“
•Ladungsaustausch zwischen Wolke und Erde
„Erdblitz“
Um den Blitz wird die Umgebungsluft bis auf 30.000°C
erhitzt und dehnt sich dabei
explosionsartig aus.
Donner
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Kraftfeld einer Ladung: elektrisches Feld
Für die Darstellung elektrischer Felder durch Feldlinienbilder gelten folgende
Festlegungen:
• Die elektrischen Feldlinien beginnen auf positiven Ladungen und enden auf
negativen.
• Auf Leiteroberflächen stehen Feldlinien stets senkrecht.
• In einem elektrischen Feld schneiden sich Feldlinien nicht.
• Die Größe des elektrischen Feldes (Feldstärke) wird durch die Anzahl der
Feldlinien pro Flächeneinheit (Feldliniendichte) dargestellt.
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Ladungsnachweis mit dem Elektroskop
• Mit dem Elektroskop können Ladungen nachgewiesen bzw. verglichen
werden.
• Die Aufladung erfolgt durch „Abstreifen“.
• Die aufgetragene Ladung verteilt sich gleichmäßig auf einem fest
stehenden Metallstab und einem leicht drehbaren Metallzeiger.
• Der bewegliche Zeiger spreizt sich vom Stab weg, weil Stab und Zeiger
gleichartig geladen sind.
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Influenz auf elektrischen Leitern
a)
b)
Metallkörper (MK) aus zwei Teilen.
Positiv geladener Stab wird angenähert und
beeinflußt (Influenz) die Ladungen des MK.
Elektronenüberschuß auf dem linken Teil
(nur Überschußladungen sind gezeichnet!)
c)
d)
Teile werden getrennt, vor Entfernung des Stabes!
Jetzt wird der Stab entfernt.
Beide Teile werden wieder vereinigt.
Die Elektroskope fallen auf 0 zurück.
Ergebnis: „Teile waren tatsächlich
gegengleich geladen !“
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Strom als Bewegung von Ladungen
•
Strom ist definiert als die Bewegung von Ladungen.
Physikalische Stromrichtung: negative Ladungen bewegen sich von Minus nach Plus
(Technische Stromrichtung: „positive Ladungen bewegen“ sich von Plus nach Minus)
•
Die Menge der Ladungen, die pro Zeiteinheit
eine Meßstelle passiert, bezeichnet man als
Stromstärke.
• Sie ist Basisgröße des Internationalen
Einheitensystems und wird in Ampere (A) gemessen.
• Ein Ampere ist die Stärke eines elektrischen Stromes, bei dem pro Sekunde eine
Ladungsmenge von 1 C eine Meßstelle passiert.
•
•
•
Symbol: I
Maßeinheit: [I] = [Q] / [t] = 1 C/s = 1 A (Ampere)
Definitionsgleichung: I = Q / t
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Ladung im Stromkreis
Im unverzweigten Stromkreis ist
die Stromstärke an jeder Stelle
gleich groß.
24V –
Im verzweigten Stromkreis teilen
sich die Stromstärken an den
Schnittstellen auf.
24V –
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Ladungen in leitenden Materialien
• Stoffe, in denen sich elektrische Ladungen bewegen können,
nennt man elektrische Leiter.
• Zu den Leitern gehören die Metalle, aber auch Kohlenstoff in
From von Graphit (Kohle). (Als Diamant ist er aber Isolator!)
• Die äußersten Elektronen lösen sich leicht von den Atomen
und können sich durch das Material bewegen.
Mg
=> Ladungsbewegung: Strom
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Glühelektrischer Effekt
•
•
•
•
•
•
In einer evakuierten Röhre ist eine Elektrode als Spirale, die andere als
gegenüberstehende Platte ausgebildet.
Legt man eine Spannung an die Elektroden an, so fließt kein messbarer
Strom.
Nun lässt man einen Heizstrom durch die Wendel fließen und bringt sie zum
Glühen.
Aus dem glühenden Draht treten negative Ladungsträger aus, die den Strom
durch die Röhre hindurch bewirken.
Diese Erscheinung bezeichnet man als glühelektrischen Effekt.
Er wurde im Jahre 1883 von Thomas Edison entdeckt.
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Ladungsspeicher: Kondensator
•
•
•
•
•
Kondensatoren sind Bauelemente, die elektrische Ladungen und folglich elektrische
Energie speichern können.
Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegenüberliegenden
Metallplatten, die durch das dazwischenliegende Dielektrikum galvanisch getrennt
sind.
Legt man eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten
ein elektrisches Feld.
Eine Platte nimmt positive, die andere gleichviele negative Ladungen auf (Influenz).
Die Eigenschaft eines Bauteils, eine elektrische Energie zu speichern, nennt man
Kapazität. Sie gibt die Ladungsmenge an, die bei einer bestimmten Feldstärke
gespeichert werden kann.
Q = C ·U
Einheit: 1F = 1C/V = 1 As/V
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Aufladungsmaschinen
Bandgenerator
Influenzmaschine
Umax = 10 MV
Umax = 100 kV
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