2.5 Ladungen - Universität Augsburg

Ladungen
Wichtiges Grundwissen für den
Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule
Schriftliche Hausarbeit
von Ralf Hirnich
Universität Augsburg
Didaktik der Physik
Elektrostatik
Bereits im Altertum wusste man, dass geriebener Bernstein (griechisch: elektron)
leichte Körper anzieht.
Durch Reibung kann ein Körper in einen veränderten Zustand versetzt werden,
er wird „aufgeladen“. Man spricht daher auch von Reibungselektrizität.
Nähern sich zwei elektrisch geladene Körper, gibt es zwei Möglichkeiten:
• sie ziehen sich an
• sie stoßen sich ab
Daraus schließt man, dass es zwei verschiedene Typen von Ladungen geben muss.
Lichtenberg, der erste deutsche Professor für Experimentalphysik, definierte diese
beiden Ladungsarten als „+“ und „-“.
• Körper mit gleicher Ladung stoßen einander ab
• Körper mit ungleicher Ladung ziehen einander an
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Die Natur der Ladung
• Ladung ist das, was aufgeladen wird.
• Ladung hängt vom Material ab (bernstein-, glasartig).
• Elemente können geladen werden, wenn sie in Lösung
gehen (Dissoziation, Ionen):
Ladung ist eine Eigenschaft des Elements.
• Elemente haben jeweils typische Atomformen.
• Elemente nach der Masse geordnet zeigen periodisch
verschiedene Ladungseigenschaften
(Wertigkeit, „Periodensystem“)
• Jedes Atom enthält gleichviele „+“ und „-“ Ladungen.
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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 ab 1909 der amerikanische Physiker Robert
Andrews Millikan benutzt, um die winzigen Ladungen kleiner
Öltröpfchen zu bestimmen.
• Millikan erhielt 1923 für den Nachweis der Quantelung der
elektrischen Ladung den Nobelpreis.
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Wird
dieErmittlung
elektrischeder
Feldstärke
so eingestellt,
ein beobachtetes
positiv
Bei der
Spannungswerte
für dendass
Schwebezustand
kam
geladenes
Öltröpfchen
den Kondensatorplatten
schwebt,
ist
Millikan immer
wiederzwischen
auf ganz bestimmte
Werte. Es handelte
sichso
jeweils
seine
der nach
gerichteten
um einGewichtskraft
ganzzahliges gleich
Vielfaches
von oben
e = 1,602
•10-19C.Feldkraft.
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
•
Im Jahre 1910 führte Rutherford seine Streuexperimente durch um die
Masseverteilung in einem Atom zu bestimmen, indem er Goldfolie mit
α-Teilchen beschoss.
• Er beobachtete, dass die allermeisten ungehindert durch die Folie
hindurchgingen.
• Er beobachtete aber auch, dass einige mit hoher
Geschwindigkeit rückwärts gestreut wurden.
Erkenntnisse:
• Atome haben einen Durchmesser von 10-10 m.
• Nahezu die gesamte Masse ist jedoch im Atomkern mit
einem Durchmesser von 10-14 m konzentriert.
• Die gesamte positive Ladung des Atoms trägt der Atomkern.
• Die gesamte negative Ladung tragen die Elektronen der Atomhülle.
• Ihre Masse beträgt nur 1/2000 der Kernmasse.
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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“).
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 leitende Oberflächen sind Ladungen sind frei beweglich.
• Gleichnamige Ladungen verteilen sich aufgrund der abstoßenden
Kraftwirkung gleichmäßig.
Kraftwirkung längs der Oberfläche:
• Feldverstärkung an Spitzen (Blitzableiter)
• Ladungen sitzen auf leitenden Hohlkörpern
stets außen (Faradyscher Käfig)
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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 einer felderzeugenden Ladung wird durch die Anzahl der Feldlinien
pro Flächeneinheit (Feldliniendichte) dargestellt.
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Ladungsnachweis mit dem Elektrometer
• Mit dem Elektrometer 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
• Gleichnamige elektrischen Ladungen stoßen sich gegenseitig ab,
ungleichnamige ziehen sich an.
• Bringt man einen Körper mit leitfähiger Oberfläche in ein elektrisches
Feld, so verändert sich darauf die Ladungsdichte.
• Dies geschieht, da negative und positive Ladungen durch die Wirkung
dieses Feldes in entgegengesetzte Richtungen streben.
• Die Ladungsträger verteilen sich, die Gesamtladung des Körpers bleibt
jedoch konstant.
• Influenz zur Ladungstrennung ist das grundlegende Funktionsprinzip
beim Bandgenerator bzw. der Influenzmaschine.
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Aufladungsmaschinen
Bandgenerator
Influenzmaschine
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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 und Kohlenstoffe (Graphit, Kohle),
aber auch verdünnte Säuren und Laugen.
• Diese Stoffe, vorzugsweise Metalle, sind +1- oder +2-wertig.
• Dies hat zur Folge, dass die äußersten
Elektronen leicht vom Atom gelöst und
durch das Material bewegt werden können.
=> Ladungsbewegung: Strom
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Strom als Bewegung von Ladungen
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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
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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, der durch zwei geradlinige
parallele Leiter mit einem Abstand von einem Meter fließt und der zwischen den
Leitern je Meter Länge eine Kraft von 2·10-17 N hervorruft.
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 ist die
Gesamtmenge der Ladungen an
jeder Schnittstelle gleich groß.
24V –
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Glühelektrischer Effekt
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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
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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 elektrisch 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.
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.
C = Q/U
Einheit: 1F = 1C/V = 1 As/V
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Natürlicher Ladungsausgleich – Der Blitz
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Aufwinde im Inneren der Gewitterwolke
bewirken eine Ladungstrennung.
Am oberen Rand befinden sich positiv
geladene Eiskristalle, am unteren Rand
negativ geladene Wassertröpfchen.
Der negativ geladene „Leitblitz“ schiebt
sich wie ein Schlauch in Richtung Erde.
Ein von der Erde ausgehender „Gegenblitz“
trifft mit ihm zusammen und bildet so den
eigentlichen Hauptblitz.
Dabei wird die Umgebungsluft bis auf
30.000° C erhitzt und dehnt sich dabei
explosionsartig aus.
Es donnert.
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