Was ist elektrische Ladung?
Einsteiger
- Ladung ist eine Eigenschaft der kleinsten Teilchen. Es gibt sie in zwei Sorten: positiv (+) und negativ (−).
- Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.
- Im Atom sind die Protonen im Kern positiv, die Elektronen in der Hülle negativ. Normalerweise gibt es von beiden gleich viele, dann ist das Ganze ungeladen.
- Geladen ist etwas, wenn es Elektronen zu viel oder zu wenig hat. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C).
- Ladung geht nie verloren und entsteht nie neu. Sie wird nur verschoben.
Bevor es um Strom und Spannung geht, kommt das, woraus beide gemacht sind: die elektrische Ladung. Du kennst sie längst, auch wenn du sie nicht so nennst. Wenn ein Luftballon nach dem Reiben an den Haaren klebt, wenn der Pullover beim Ausziehen knistert oder wenn es an der Türklinke einen kleinen Schlag gibt, dann war Ladung im Spiel.
Woraus alles besteht
Alles um dich herum besteht aus Atomen, winzigen Bausteinen, die viel zu klein sind, um sie zu sehen. Ein Atom hat zwei Teile:
- In der Mitte sitzt der Kern. Er besteht aus Protonen, die positiv geladen sind, und Neutronen, die gar keine Ladung haben.
- Um den Kern herum ist die Hülle mit den Elektronen. Sie sind negativ geladen.
Ein Atom, stark vereinfacht. In Wirklichkeit ist der Kern noch viel kleiner, und die Elektronen kreisen nicht auf Bahnen, sondern sind wie eine Wolke um ihn verteilt.
Ein Proton und ein Elektron tragen genau gleich viel Ladung, nur mit entgegengesetztem Vorzeichen. Hat ein Atom genauso viele Elektronen wie Protonen, heben sich die Ladungen auf. Das Atom ist dann nach außen ungeladen, man sagt auch neutral. So ist es fast immer, und deshalb merkt man im Alltag von der vielen Ladung in allen Dingen nichts.
Zum Nachrechnen: Wie viel Ladung steckt in einem Gramm Kupfer?
Schritt 1: Anzahl der Atome. Ein Kupferatom wiegt im Mittel 63,55 „atomare Einheiten". Das heißt: 63,55 g Kupfer enthalten \(6{,}022 \cdot 10^{23}\) Atome (diese Zahl heißt Avogadro-Zahl). In einem Gramm sind es also
Schritt 2: Anzahl der Elektronen. Jedes Kupferatom hat 29 Elektronen:
Schritt 3: Ladung. Jedes Elektron trägt die Ladung \(e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{C}\):
Ein Gramm Kupfer enthält also rund 44 000 Coulomb negative Ladung, und genauso viel positive in den Kernen. Zum Vergleich: Ein 9-V-Block liefert in seinem ganzen Leben nur etwa 1800 C. Weil sich beide Sorten exakt ausgleichen, spürt man von dieser riesigen Menge nichts.
Gleich stößt ab, ungleich zieht an
Ladungen üben Kräfte aufeinander aus, auch ohne sich zu berühren. Die Regel ist einfach:
Zwei gleiche Ladungen drücken sich auseinander, zwei ungleiche ziehen sich zusammen.
- Plus und Plus stoßen sich ab.
- Minus und Minus stoßen sich ab.
- Plus und Minus ziehen sich an.
Das erinnert an Magnete, ist aber etwas anderes: Magnete haben Nord- und Südpol, Ladungen haben Plus und Minus. Und die Kraft wird schnell schwächer, je weiter die Ladungen auseinander sind.
Genau diese Anziehung hält das Atom zusammen: Die positiven Protonen im Kern halten die negativen Elektronen in der Hülle fest.
Zum Nachrechnen: Wie stark ist die Kraft zwischen zwei Ladungen?
Die Kraft \(F\) zwischen zwei Ladungen \(Q_1\) und \(Q_2\) im Abstand \(r\) beschreibt das coulombsche Gesetz:
Was die Formel sagt: Doppelte Ladung, doppelte Kraft. Doppelter Abstand, aber nur ein Viertel der Kraft, weil \(r\) im Quadrat unter dem Bruchstrich steht.
Zahlenprobe: Zwei kleine Kugeln tragen je ein Mikrocoulomb, \(Q = 1\,\mu\text{C} = 10^{-6}\,\text{C}\), und sind \(r = 10\,\text{cm} = 0{,}1\,\text{m}\) voneinander entfernt.
Das ist so viel, wie ein Gegenstand von gut 90 Gramm wiegt, und das bei nur einem Millionstel Coulomb. Kontrolle der Einheit: C² kürzt sich mit C², m² mit m², übrig bleibt Newton (N).
Zum Staunen: Zwischen einem Proton und einem Elektron ist die elektrische Anziehung rund \(10^{39}\)-mal stärker als die Anziehung durch die Schwerkraft. Das ist eine Eins mit 39 Nullen.
Wie etwas geladen wird
Damit ein Gegenstand geladen ist, muss das Gleichgewicht gestört werden: Elektronen müssen von einem Ding auf ein anderes wandern. Die Protonen sitzen fest im Kern und bleiben, wo sie sind. Es sind immer die Elektronen, die wandern.
Das passiert zum Beispiel beim Reiben. Reibst du einen Luftballon an den Haaren, gehen Elektronen von den Haaren auf den Ballon über:
Beim Reiben wandern Elektronen von den Haaren auf den Ballon. Danach ist der Ballon negativ, die Haare sind positiv.
- Der Ballon hat jetzt Elektronen zu viel, er ist negativ geladen.
- Die Haare haben Elektronen zu wenig, sie sind positiv geladen.
- Plus und Minus ziehen sich an: Die Haare stellen sich zum Ballon hin, und der Ballon bleibt an ihnen kleben.
Wichtig: Es ist keine Ladung entstanden. So viele Elektronen, wie der Ballon dazubekommen hat, fehlen den Haaren. Zusammen sind beide weiterhin ungeladen. Das gilt immer und überall und heißt Ladungserhaltung: Ladung kann man verschieben, aber nicht erzeugen oder vernichten.
Wie viel Ladung: das Coulomb
Ladung hat das Formelzeichen \(Q\) und wird in Coulomb (C) gemessen, benannt nach dem französischen Physiker Charles-Augustin de Coulomb. Die kleinste Ladung, die es frei gibt, ist die eines einzelnen Elektrons, die Elementarladung:
Das ist unvorstellbar wenig. Wie viele Elektronen braucht man für ein Coulomb? Ansatz: Die Gesamtladung ist die Anzahl \(N\) mal die Ladung jedes Elektrons, \(Q = N \cdot e\). Wir teilen durch \(e\):
Ein Coulomb sind also gut sechs Trillionen Elektronen. Kontrolle: C durch C ergibt eine reine Zahl, also eine Anzahl. Passt.
Warum es an der Türklinke funkt
Gehst du mit Gummisohlen über einen Teppich, sammelst du durch die Reibung Elektronen ein. Weil Gummi die Ladung nicht weiterleitet, bleibt sie an dir. Fasst du dann die metallene Türklinke an, springen die überzähligen Elektronen auf einmal über, manchmal mit einem sichtbaren Funken. Spüren kann man so einen Funken ab etwa 3000 V. Gefährlich ist er für dich nicht, weil dabei nur sehr wenig Ladung fließt.
Für Mikrochips sieht das anders aus. Ihre Strukturen sind so fein, dass schon ein Funke, den du gar nicht spürst, einen Chip zerstören kann. Fachleute nennen das ESD, elektrostatische Entladung. Deshalb gilt beim Basteln mit ICs, zum Beispiel denen aus dem Adventskalender:
- Vorher entladen. Kurz einen Heizkörper oder ein anderes geerdetes Metallteil anfassen.
- ICs an den Seiten anfassen, nicht an den Beinchen.
- Nicht auf Teppich und nicht im Kunstfaserpulli arbeiten, wenn es sich vermeiden lässt.
Leiter und Isolatoren
Warum bleibt die Ladung am Ballon, aber nicht an der Türklinke? Weil Stoffe sich darin unterscheiden, ob Elektronen in ihnen wandern können:
- In Isolatoren wie Gummi, Kunststoff, Glas und trockener Luft sitzen die Elektronen fest. Die Ladung bleibt genau dort, wo sie hingerieben wurde. Deshalb klebt der Ballon.
- In Leitern wie allen Metallen können sich Elektronen frei bewegen. Ladung verteilt sich sofort und fließt ab, sobald es einen Weg gibt.
Wenn Ladung durch einen Leiter fließt, nennt man das elektrischen Strom. Darum geht es im nächsten Teil.
Versuch: Ladung sichtbar machen
Dafür brauchst du keine Elektronik, nur Dinge aus dem Haushalt. Am besten klappt es an einem trockenen Tag, im Winter bei Heizungsluft fast immer.
Du brauchst: einen Luftballon, deine Haare oder einen Wollpullover, ein paar kleine Papierschnipsel und einen Wasserhahn.
- Ballon aufladen. Reibe den aufgeblasenen Ballon zehn- bis zwanzigmal kräftig an den Haaren oder am Pullover.
- Haare. Halte den Ballon ein paar Zentimeter über deinen Kopf. Die Haare stellen sich zum Ballon hin: Plus und Minus ziehen sich an.
- Papierschnipsel. Halte den Ballon über die Schnipsel. Sie springen hoch und bleiben am Ballon hängen. Der geladene Ballon zieht im Papier die Ladungen ein Stück zur Seite, und schon wird das Papier angezogen.
- Wasserstrahl. Dreh den Hahn so auf, dass ein ganz dünner Strahl fließt, und halte den Ballon seitlich daneben, ohne ihn zu berühren. Der Strahl biegt sich zum Ballon hin.
- Abstoßen. Hast du zwei Ballons, lade beide an den Haaren auf und häng sie an Fäden nebeneinander. Sie weichen einander aus: Beide sind negativ, und gleiche Ladungen stoßen sich ab.
Was du gesehen hast: Ladung übt Kräfte aus, ohne Berührung. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Und auf dem Ballon, einem Isolator, bleibt die Ladung sitzen.
Zusammenfassung
- Es gibt positive und negative Ladung. Protonen sind positiv, Elektronen negativ.
- Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.
- Ein Gegenstand ist geladen, wenn er Elektronen zu viel (negativ) oder zu wenig (positiv) hat.
- Ladung wird in Coulomb gemessen. Ein Elektron trägt \(1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{C}\).
- Ladung bleibt erhalten, sie wird nur verschoben.
- Schon kleine Funken können Chips zerstören: vor dem Anfassen entladen.
Weiter mit Teil 2: Was ist elektrischer Strom? Zur Übersicht aller Teile.
Tiefer einsteigen: Im Bereich Wissen steht, wie elektrostatische Entladung (ESD) Chips schädigt und wie man sie davor schützt.