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Elektrische Ladung

Elektrische Ladung

Smartphone-Akku, Taschenlampe oder Armbanduhr – wenn der Akku oder die Batterie leer ist, funktionieren sie nicht mehr. Batterien kannst Du in der Regel ersetzen und Akkus wieder aufladen. Doch was genau ist der Unterschied zwischen einem vollen und einem leeren Akku? Deren unterschiedliche elektrische Ladung.

Elektrische Ladung Definition

Egal, ob das Laden oder das Benutzen Deines Smartphones – ein elektrischer Strom fließt dabei immer. Somit bewegen sich auch immer elektrische Ladungen.

Ein elektrischer Strom besteht immer aus bewegten elektrischen Ladungsträgern. Die bewegten Ladungsträger sind dabei häufig Elektronen.

Diese Ladungsträger tragen immer eine gewisse elektrische Ladung.

Die elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die den Überschuss oder Mangel von Elektronen wiedergibt. Von ihr hängt die Wechselwirkung von Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern ab.

Elektrische Ladungen kommen in zwei Arten: positiv und negativ. Untereinander streben sie stets einen neutralen Zustand an.

Mehr zu den Feldern findest Du in den Erklärungen Elektrisches Feld und Magnetfeld.

Die elektrische Ladung als eine naturgegebene Größe unterliegt auch einem Erhaltungssatz.

Der Satz der Ladungserhaltung (Ladungserhaltungssatz) besagt, dass sich die Gesamtladung in einem abgeschlossenen System nicht verändern kann.

Aber was bedeutet das alles überhaupt?

Elektrische Ladung einfach erklärt

Eine elektrische Ladung kannst Du Dir zunächst als einen Zustand eines Teilchens vorstellen, nicht etwa als ein Teilchen an sich. Formulierungen wie „das Elektron ist eine negative Ladung“ sind für das Verständnis und die Beschreibung zwar vollkommen ausreichend, jedoch müsste die Formulierung „das Elektron ist negativ geladen“ lauten, um physikalisch gesehen korrekt zu sein.

In der klassischen Physik – also der Physik, mit der Du alltäglich zu tun hast – werden Ladungsträger und elektrische Ladungen oftmals synonym verwendet. Das liegt daran, weil für die meisten Fälle, in denen eine elektrische Ladung eine Rolle spielt, nur Elektronen betrachtet werden.

Elektronen sind negativ geladen. Betrachtest Du somit ein Teilchen, das zu viele Elektronen besitzt (Elektronenüberschuss), ist das Teilchen an sich negativ geladen. Andersherum ist ein Teilchen, dem Elektronen fehlen (Elektronenmangel), positiv geladen.

Das liegt daran, dass Atome im Inneren positiv geladene Protonen besitzen. Die Anzahl von Protonen und Elektronen gleicht sich normalerweise aus. Fehlt ein Elektron oder ist eines zu viel, besteht diese Gleichheit nicht mehr und das Atom ist nach außen hin elektrisch geladen.

Gegenstände, denen Du im Alltag begegnest – wie der Boden, auf dem Du stehst – sind jedoch größtenteils weder positiv noch negativ geladen. Auch das Ladekabel besitzt keine sichtliche Ladung, wenn Du es absteckst, obwohl vorher noch ein Strom – und somit eine gewisse Ladungsmenge – hindurchgeflossen ist.

Das liegt daran, dass elektrische Ladungen untereinander immer einen neutralen Zustand anstreben. Dabei gleichen sich positive und negative Ladungen aus. Die sogenannte Coulombkraft führt dazu, dass sich verschiedene Ladungen anziehen und unterschiedliche Ladungen abstoßen, um somit als Gesamtheit eine elektrisch neutrale Ladung darzustellen.

Mehr über die Kraft, mit der elektrische Ladungen und elektrische Felder wechselwirken, erfährst Du in der Erklärung zur Coulombkraft.

Eine neutrale Ladung bedeutet aber nicht unbedingt, dass keine Ladungsträger vorhanden sind. Neutral bedeutet lediglich, dass sich auf einem geringen Raum positive und negative Ladungen elektrisch ausgleichen, oder dass keine elektrischen Ladungsträger vorhanden sind.

Bringst Du zwei gleich große Ladungen, wobei die eine positiv und die andere negativ ist, zusammen, dann verschwinden die Ladungen nicht, sondern gleichen sich aus. Das Endprodukt ist dann von außen betrachtet neutral geladen, die einzelnen Ladungen bestehen aber noch.

Um die elektrische Ladung physikalisch und mathematisch zu betrachten, sind Formelzeichen, Einheit und Formeln notwendig.

Elektrische Ladung Einheit und Formelzeichen

Bei der elektrischen Ladung wird oft in zwei Betrachtungsweisen unterschieden, an die sich auch das Formelzeichen anpasst.

Betrachtest Du einen einzelnen Ladungsträger, wird dessen elektrische Ladung oft mit \(q\) gekennzeichnet. Geht es stattdessen um eine Ladungsmenge, wird \(Q\) verwendet.

Die Grundeinheit der elektrischen Ladung ist jedoch immer das Coulomb (C), das der Ladungsmenge bei einem Stromfluss von 1 Ampere (A) innerhalb 1 Sekunde (s), zusammengefügt einer Amperesekunde, entspricht:

\[ \left[ Q,q \right] = 1 \, C = 1 \, As \]

Es gibt keine klare offizielle Regelung, wann \(q\) und wann \(Q\) verwendet wird. Häufig, aber nicht immer, wird dadurch der Unterschied zwischen einzelnem Ladungsträger und Ladungsmenge verdeutlicht.

Auf gewissen Geräten – wie dem Smartphone-Akku – wird für die Ladung oft in der Einheit \(mAh\) (Milliamperestunde) angegeben. Aber auch \(Ah\) (Amperestunde) kannst Du häufig vorfinden. Wie das Umrechnen funktioniert, findest Du unten bei den Beispielen.

Fragst Du Dich, warum in Stunden? Viele Angaben moderner Akkus sind in Stunden. Das liegt daran, dass sich 8 oder 9 Stunden leichter auf einen Blick vergleichen lassen, als 480 oder 540 Minuten.

Du kannst elektrische Ladungen aber nicht nur untereinander umrechnen, sondern auch aus anderen gegebenen physikalischen Größen ermitteln.

Elektrische Ladung Formel

Es gibt keine grundsätzliche Formel, mit der Du die elektrische Ladung für jede erdenkliche Situation berechnen kannst. Das liegt hauptsächlich daran, weil nicht immer alle physikalischen Größen für eine Berechnung bekannt sind. Die folgenden Formeln bieten trotzdem einen Weg, die elektrische Ladung allgemein zu berechnen.

Eine elektrische Ladung \(Q\) entspricht immer einem \(n\)-Vielfachen der Elementarladung \(e\).

\[ Q = n \cdot e \]

Da ein elektrischer Strom immer einem Ladungsfluss entspricht, kannst Du aus einem Stromfluss \(I\) über eine Zeitspanne \(t\) auch die dabei geflossene Ladungsmenge \(Q\) durch einen Leiter bestimmen.

\[ Q = I \cdot t \]

Spezifische Formeln für Anwendungen kannst Du in den Erklärungen der jeweiligen Anwendungen – etwa Kondensator – finden.

Eine elektrische Ladung entspricht also immer dem Vielfachen der Elementarladung. Woher aber kommt die Elementarladung?

Elektrische Ladung Elementarladung

Das Wort „elementar“ bedeutet so viel wie „grundlegend“ oder „fundamental“. Das heißt, dass die Elementarladung die grundlegende elektrische Ladung ist.

Die Elementarladung \(e\) ist eine Naturkonstante. Sie ist die kleinste, freie elektrische Ladung. Jede andere freie elektrische Ladung ist ein exaktes Vielfaches der Elementarladung. Ein Elektron besitzt genau den Betrag der Elementarladung als elektrische Ladung.

\[ e = 1,602 \cdot 10^{-19} \, C \]

„Freie“ Ladung bedeutet, dass sie auch allein vorkommen kann. Was sich tiefergehend hinter dieser Naturkonstante verbirgt, zeigt Dir die Erklärung Elementarladung. Interessiert Dich, wie sie experimentell ermittelt werden kann? In der Erklärung zum Millikan-Versuch erfährst Du mehr.

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft von Teilchen. Zur Übertragung von elektrischen Ladungen müssen dementsprechend geladene Teilchen übertragen werden.

Elektrische Ladungsträger

Sprichst Du von einer elektrischen Ladung, ist dabei immer die Rede von einer positiven oder negativen Ladung. Diese werden mithilfe von Teilchen übertragen.

Ein elektrischer Ladungsträger ist ein Teilchen, dessen elektrische Ladung positiv oder negativ ist.

Stelle Dir vor, Du hast ein Teilchen oder Atom, das aus einem \(2e\) (zweifach positiv) geladenem Kern und zwei Elektronen, die jeweils \(-1e\) (einfach negativ) geladen sind, besteht. Die Gesamtladung des Atoms ist somit neutral. Entfernst Du jedoch eines der einfach negativen Elektronen, wird das Atom einfach positiv.

Elektrische Ladung Ladungsträger Entstehung StudySmarterAbb. 1 - Entstehung einfacher Ladungsträger

Durch die Aufteilung des neutralen Teilchens hast Du jetzt zwei einzelne Ladungsträger geschaffen, die jeweils in ihrer Gesamtheit einfach positiv und einfach negativ geladen sind. Diese ziehen sich jedoch aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladungen gegenseitig an. Damit Du den entstehenden Ladungsfluss nutzen kannst, sollte die Bewegung aber durch einen Leiter, anstatt auf gleichem Wege zurück, erfolgen.

Welche Voraussetzung ein solcher elektrischer Leiter erfüllen muss, findest Du in der Erklärung „Leiter Physik“ heraus.

Wie kannst Du aber den Ladungsausgleich und somit den Stromfluss (Elektronenfluss) verhindern? Denn Dein Akku soll ja möglichst nur dann Strom liefern, während er auch genutzt wird.

Elektrische Ladungsträger: Isolator

Damit kein Ladungsausgleich zwischen unterschiedlichen Ladungen erfolgt, müssen die Ladungen elektrisch voneinander getrennt werden.

Sind elektrische Ladungen elektrisch voneinander getrennt, das heißt, sie können sich nicht gegenseitig ausgleichen, sprichst Du von Isolation.

Dafür können verschiedene Materialien verwendet werden. Diese heißen Isolatoren.

Um welche Materialien es sich dabei handelt und wie diese aufgebaut sind, erklärt Dir „Isolator“.

Ein Isolator hilft auch elektrische Influenz vorzubeugen.

Elektrische Ladungsträger: Influenz

Ladungsträger innerhalb eines leitfähigen Materials – wie vielen Metallen – sind nicht immer an eine Stelle gebunden, sondern können sich frei bewegen. Die positiv geladenen Atomkerne im Metallgitter sind fest innerhalb des Metalls verankert. Einige Elektronen – die negativen Ladungsträger – hingegen können sich, ohne die Atome in ihrer Gesamtheit zu verändern, jedoch bewegen.

Das ist übrigens der Hauptgrund, warum Metalle hervorragende elektrische Leiter darstellen. Elektronen, und somit ein Strom, können das Metall fast ungehindert durchfließen.

Legst Du nun ein elektrisches Feld nicht der Länge nach, sondern über die Breite eines metallischen Leiters an, kommt es zur sogenannten Influenz.

Die elektrische Influenz ist die Ladungstrennung innerhalb eines Leiters durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld.

Die Erklärung „Influenz“ beschäftigt sich tiefgründig mit diesem Thema und dessen Auswirkungen.

Beim metallischen Leiter sieht die Influenz wie in Abbildung 2 gezeigt aus. Die in blau dargestellten Elektronen sind zunächst frei beweglich und gleichmäßig verteilt, jedoch nicht fest mit den in rot dargestellten Atomkernen verbunden.

Elektrische Ladung Influenz Metallgitter Elektrische Ladungsträger StudySmarterAbb. 2 - Elektrische Influenz an metallischem Leiter

Legst Du jetzt ein äußeres elektrisches Feld an, werden die negativen Ladungsträger vom positiven Pol des Feldes angezogen. Da die Elektronen frei beweglich sind, ordnen sich diese somit an der Seite des äußeren positiven Pols an. Genau diese Wechselwirkung ist die Influenz.

Die fest verankerten Atomkerne, die positiv geladen sind, werden zwar auch vom negativen Pol angezogen, aufgrund des festen Gitters jedoch nicht bewegt.

Dass sich Elektronen durch ein Material bewegen, ist der elektrische Strom. Die hier verwendete Darstellung von Elektronen als Punkt wird häufig bei gewissen Ladungen verwendet, ist aber dennoch von Anwendung und Betrachtungsweise abhängig.

Elektrische Ladung Beispiele

Eine elektrische Ladung kann in verschiedenen Formen vorkommen. Der größte Unterschied liegt aber darin, ob es sich um einen einzelnen, winzigen Ladungsträger, oder um eine Menge von Ladungsträgern handelt.

Für einzelne Ladungsträger, oder Ladungen, die nah aneinanderliegen, wird oft die Darstellung als Punktladung verwendet.

Punktladung

Die Punktladung ist – wie es die Bezeichnung vermuten lässt – eine elektrische Ladung, die als Punkt dargestellt wird. Ob es sich dabei um einen einzelnen Ladungsträger, oder um mehrere extrem kleine, nah aneinanderliegende Ladungsträger handelt, ist erst mal dahingestellt.

Die Punktladung ist eine Modellvorstellung eines oder mehrerer elektrischer Ladungsträger, die keine räumliche Ausdehnung besitzt. Die gesamte elektrische Ladung ist somit auf einem Punkt konzentriert. Das vereinfacht die Berechnung und Vorstellung einer elektrischen Ladung.

Erfährt eine Punktladung der elektrischen Ladung \(q\) im elektrischen Feld der Feldstärke \(E\) die elektrische Kraft \(F_{el}\), berechnest Du die Ladung \(q\) mit:

\[q = \frac{F_{el}}{E}\]

Welche Bedeutung eine Punktladung hat und wie deren elektrisches Feld aussieht, erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung.

Nicht immer kann eine elektrische Ladung auf eine Punktladung reduziert werden. Vor allem nicht, wenn sich die Ladung auf einer Fläche verteilt.

Elektrische Ladung Plattenkondensator

Bei Kondensatoren, insbesondere beim Plattenkondensator, befinden sich die Ladungsträger auf gegenüberliegenden Flächen. Die elektrische Ladung dabei als Punktladung darzustellen, wäre also falsch.

Beim Anlegen einer Spannung bewegen sich die Elektronen auf eine Platte. Je größer dabei die Spannung, desto mehr Elektronen und somit mehr elektrische Ladung sammelt sich auf dieser Platte. Entsprechend der Bauweise und Größe des Kondensators, die beide in der Kapazität vereint sind, kann der Kondensator genutzt werden, um eine elektrische Ladung zu speichern.

Wird am Kondensator der Kapazität \(C\) eine Spannung \(U\) angelegt, sammelt sich die Ladungsmenge \(Q\) auf den Kondensatorflächen.

\[ Q = C \cdot U \]

In den Erklärungen „Kondensator“ und „Plattenkondensator“ findest Du mehr Informationen zu diesem wichtigen elektrischen Bauteil.

Mithilfe der verschiedenen Formeln, ob allgemein oder spezifisch, kannst Du die elektrische Ladung auch berechnen.

Elektrische Ladung berechnen

Kondensatoren können elektrische Ladungen speichern. Theoretisch könnten sie somit als eine Art Akku verwendet werden. Das ist zwar unüblich, jedoch denkbar.

Am Kondensator der Kapazität \(C = 5 \, F \) wird eine Spannung \(U = 5 \, V\) angelegt.

Aufgabe 1

a) Berechne die Ladung \(Q\), die dabei auf dem Kondensator gespeichert werden kann.

b) Gib die Ladung \(Q\) als Vielfaches der Elementarladung \(e\) an.

c) Gib die Ladung \(Q\) in der Einheit \(mAh\) (Milliamperestunden) an.

Lösung a

Die Formel für die Ladungsmenge eines Kondensators lautet:

\[ Q = C \cdot U \]

Du kannst die gegebenen Werte von \(C\) und \(F\) also direkt eingeben und daraus die Ladung \(Q\) berechnen.

\begin{align}Q & = 5 \, F \cdot 5 \, V \\Q & = 25 \, C\end{align}

Lösung b

Für diesen Teil der Aufgabe benötigst Du die ganz oben stehende Formel für die elektrische Ladung \(Q\) in Abhängigkeit der Elementarladung \(e\).

\[ Q = n \cdot e \]

Dein Ziel liegt darin, die Anzahl \(n\) zu berechnen, damit Du die Ladung als Vielfaches der Elementarladung angeben kannst. Du stellst somit zunächst auf \(n\) um.

\begin{align}Q & = n \cdot e && | \div e \\ \\\frac{Q}{e} & = n && | \leftrightarrow \\ \\n & = \frac{Q}{e}\end{align}Hier kannst Du den Wert der Ladung \(Q\) und die Elementarladung \(e = 1,602 \cdot 10^{-19} \, C\) einsetzen und \(n\) berechnen.

\begin{align}n & = \frac{25 \, C}{1,602 \cdot 10^{-19} \, C} \\ \\n & = 1,56 \cdot 10^{20}\end{align}

Die Ladung \(Q\) als Vielfaches der Elementarladung \(e\) ausgedrückt beträgt \(Q = 1,56 \cdot 10^{20} \, e\).

Lösung c

Auch diese Aufgabe ist eine Einheitenumrechnung. Bedenke, dass \(1 \, C = 1 \, As\) ist. Du ermittelst zunächst also den Umrechnungsfaktor von \(As\) in \(mAh\). Milli (m) bedeutet ein Tausendstel. Um eine Sekunde auf Stunde umzurechnen, verwendest Du den Umrechnungsfaktor 3600.

Beide Umrechnungsschritte kannst Du in einer Formel schreiben:

\begin{align}1 \, mAh & = \frac{A}{1000} \cdot 3600 \cdot s \\ \\1 \, mAh & = 3,6 \, As\end{align}

Den Umrechnungsfaktor von \(3,6\) wendest Du jetzt auf Deinen Wert in \(As\) an, um daraus \(mAh\) zu machen. Du teilst also durch den Umrechnungsfaktor und erhältst:

\begin{align}Q \, (\text{in }mAh) & = \frac{Q \, (\text{in }As)}{3,6} \\ \\Q & = 25 \, C = 25 \, As = 6,94 \, mAh\end{align}

Nun möchtest Du eine unbekannte Ladung mithilfe des elektrischen Feldes des Kondensators bestimmen. Dafür hältst Du die Ladung in das elektrische Feld hinein und misst, welche Kraft auf die Ladung wirkt.

Du setzt eine unbekannte, als Punktladung angenommene, elektrische Ladung \(q\) einem elektrischen Feld der Feldstärke \(E = 1000 \, \frac{V}{m}\) aus und misst dabei eine Kraft \(F_{el} = 0,05 \, N\), die auf die Ladung wirkt.

Aufgabe 2

Berechne die elektrische Ladung \(q\) der Punktladung.

Lösung

Für die Berechnung dieser Aufgabe benötigst Du die Formel der Punktladung in Abhängigkeit der elektrischen Kraft \(F_{el}\) die auf die elektrische Ladung \(q\) durch das elektrische Feld der Feldstärke \(E\) wirkt.

\[q = \frac{F_{el}}{E}\]

Hier kannst Du direkt einsetzen und berechnen:

\begin{align}q & = \frac{0,05 \, N}{1000 \, \frac{V}{m}} \\ \\q & = 5 \cdot 10^{-5} \, C\end{align}

Ladungen auf diese komplizierte Art zu berechnen, ist aber nicht immer notwendig. Ein sogenanntes Elektroskop kann Dir diese Arbeit abnehmen. Es beruht auf dem gleichen Prinzip, das Du in der Aufgabe angewandt hast: eine Kraftwirkung auf eine elektrische Ladung im elektrischen Feld. Die Erklärung „Elektroskop“ zeigt Dir, wie die Messung einer elektrischen Ladung im Detail funktioniert.

Elektrische Ladung - Das Wichtigste

  • Elektrischer Strom ist die Bewegung von Ladungsträgern, meist Elektronen.
  • Die elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die den Überschuss oder Mangel von Elektronen wiedergibt. Von ihr hängt die Wechselwirkung von Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern ab.
  • Elektrische Ladungen kommen in zwei Arten vor: positiv und negativ. Untereinander streben sie stets einen neutralen Zustand an.
  • Der Satz der Ladungserhaltung (Ladungserhaltungssatz) besagt, dass sich die Gesamtladung in einem abgeschlossenen System nicht verändern kann.
  • Die elektrische Ladung einzelner Ladungsträger oder Punktladungen wird oft mit dem Formelzeichen \(q\) gekennzeichnet. Ladungsmengen werden eher mit \(Q\) angegeben.
  • Als Einheit trägt die elektrische Ladung das Coulomb (C) bzw. Amperesekunde (As):

\[ \left[ Q,q \right] = 1 \, C = 1 \, As \]

  • Für das Berechnen der elektrischen Ladung \(Q\) gibt es zwei allgemeine Formeln. Zum einen als \(n\)-Vielfaches der Elementarladung \(e\) und zum anderen als Stromfluss \(I\) multipliziert mit der Zeitspanne \(t\), während der Strom fließt:

\begin{align} Q & = n \cdot e \\ Q & = I \cdot t \end{align}

  • Einzelne Ladungsträger oder räumlich extrem kleine Ladungsmengen werden oft als Punktladung betrachtet.

Nachweise

  1. Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
  2. Cosmos-indirekt.de: Elektrische Ladung. (05.09.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die den Überschuss oder Mangel von Elektronen wiedergibt.

Es gibt positive und negative Ladungen.

Protonen sind positiv elektrisch geladen. Fehlen einem Atom Elektronen, wird das gesamte Atom als elektrisch positiv geladen angesehen.

Mit einem Elektroskop. Es misst den Einfluss eines elektrischen Feldes auf eine elektrische Ladung, wodurch Rückschlüsse auf die Ladung oder das Feld getroffen werden können.

Finales Elektrische Ladung Quiz

Frage

Welche Kräfte wirken beim Millikan-Versuch?

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Antwort

Die Schwerkraft, die Auftriebskraft und eine elektrische Kraft wirken auf das geladene Öltröpfchen.

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Frage

Benenne die Methode, bei der die wirkenden Kräfte ein Kräftegleichgewicht ergeben?

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Antwort

Wenn die Schwerkraft genauso groß ist wie die elektrische Kraft und die Auftriebskraft zusammen, dann schwebt das Öltröpfchen. Daher wird diese Methode Schwebemethode genannt.

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Frage

Welche Kraft musst du nicht mehr beachten wenn du das Experiment in einer Vakuumkammer durchführst?

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Antwort

Wenn das Experiment in einem Vakuum durchgeführt wird, dann gibt es auch keine Auftriebskraft.

Frage anzeigen

Frage

In welche Richtung zeigen die elektrischen Feldlinien eines Plattenkondensators?

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Antwort

Die Feldlinien eines Plattenkondensators zeigen immer von der negativ geladenen Platte zur positiv geladenen Platte hin.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was eine Punktladung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Modell für eine elektrische Ladung, die keine räumliche Ausdehnung hat.

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Frage

Gib an, welche Arten von Feldern eine Punktladung erzeugt.

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Antwort

Eine Punktladung erzeugt immer ein elektrisches Feld. Bewegt sich die Punktladung, kann sie auch ein Magnetfeld erzeugen.

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Frage

Wähle die Größe(n) aus, von denen die elektrische Feldstärke im Feld einer Punktladung abhängig ist.

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Antwort

Ladung der Punktladung Q

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Frage

Benenne die Kraft, die zwischen zwei elektrischen Ladungen wirkt.

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Antwort

Die Coulombkraft.

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Frage

Beschreibe, was das Wechselwirkungsgesetz aussagt.

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Antwort

Wirkt ein Körper eine Kraft auf einen anderen Körper aus, so erfahren beide Körper eine betragsgleiche und entgegengesetzte Kraft.

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Frage

Erkläre, was das Coulombpotential aussagt.

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Antwort

Es beschreibt die Fähigkeit eines elektrischen Feldes Arbeit an Ladungen zu verrichten.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Größen, die Einfluss auf das Coulombpotential haben.

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Antwort

Die Ladung Q der felderzeugenden Punktladung und der Abstand r zu dieser Ladung.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe den Verlauf der Feldlinien eines elektrischen Feldes.

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Antwort

Sie verlaufen von der positiven zur negativen Ladung und stehen senkrecht auf den Ladungsoberflächen.

Frage anzeigen

Frage

Benenne die grafische Darstellungsform des elektrischen Potentials und beschreibe den Verlauf.

Antwort anzeigen

Antwort

Das elektrische Potential wird mithilfe von Äquipotentiallinien verdeutlicht. Die Äquipotentiallinien stehen senkrecht auf den Feldlinien und zeigen, wo im Feld gleiche Potentiale herrschen.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was der Poynting-Vektor aussagt.

Antwort anzeigen

Antwort

Er beschreibt die Richtung und Dichte des Energieflusses im elektromagnetischen Feld.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Ladungsträger, die fast immer beim elektrischen Strom auftreten.

Antwort anzeigen

Antwort

Elektronen

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, welche der folgenden Aussagen auf elektrische Ladung zutrifft.

Antwort anzeigen

Antwort

physikalische Größe

Frage anzeigen

Frage

Gib die Aussage des Ladungsserhaltungssatzes an.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gesamtladung in einem abgeschlossenen System verändert sich nicht.

Frage anzeigen

Frage

Interpretiere folgende Aussage auf ihre Richtigkeit:
„Das Elektron ist eine negative Ladung.“

Antwort anzeigen

Antwort

Diese Aussage ist im allgemeinen Sprachgebrauch zwar üblich, jedoch physikalisch nicht korrekt. Die elektrische Ladung – und entsprechend die Ladung von Elektronen – ist ein Zustand des Teilchens und kein Teilchen an sich.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie ein Teilchen geladen ist, wenn ihm Elektronen fehlen.

Antwort anzeigen

Antwort

positiv geladen

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was mit den einzelnen elektrischen Ladungen geschieht, wenn zwei entgegengesetzte, gleich große Ladungen, zusammengeführt werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ladungen gleichen sich aus. Die einzelnen Ladungsträger jedoch sind noch immer vorhanden.

Frage anzeigen

Frage

Gib die Formelzeichen und die Einheit der elektrischen Ladung an.

Antwort anzeigen

Antwort

\[ \left[ Q,q \right] = 1 \, C = 1 \, As \]

Frage anzeigen

Frage

Gib an, in welchen Fällen \(Q\) und wann \(q\) als Formelzeichen der elektrischen Ladung verwendet werden.

Antwort anzeigen

Antwort

\(Q\): Ladungsmengen

\(q\): einzelne Ladungen oder Punktladungen

(Bedenke, dabei handelt es sich nicht um eine Vorschrift, sondern um ein häufiges Vorgehen.)

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, wie Du die elektrische Ladung allgemein berechnen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

\[ Q = n \cdot e \]

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, in welcher der folgenden Situationen es sich um eine elektrische Ladung handelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Vielfaches der Elementarladung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was ein elektrischer Ladungsträger ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein elektrischer Ladungsträger ist ein Teilchen, dessen elektrische Ladung positiv oder negativ ist.

Frage anzeigen

Frage

Nenne das Modell, mit dem räumlich extrem kleine Ladungsträger und somit deren Ladungen dargestellt werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Punktladung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, woraus elektrische Leiter bestehen.

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische Leiter bestehen aus Materialien, die frei bewegliche Ladungsträger besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne, welche Ladungsträger Strom leiten können.

Antwort anzeigen

Antwort

Für das Leiten von Strom können Elektronen oder Ionen eingesetzt werden.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum Protonen nicht als Ladungsträger infrage kommen.

Antwort anzeigen

Antwort

Protonen sind fest im Atomkern verbaut und können nur mit sehr viel Energie von dort rausgelöst werden. Deswegen kommen sie für die Stromleitung nicht infrage.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was der spezifische Widerstand ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Der spezifische Widerstand ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. Er gibt an, ob ein Material ein Leiter, Halbleiter oder Nichtleiter ist.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, inwiefern der spezifische Widerstand temperaturabhängig ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Der spezifische Widerstand wird mit steigender Temperatur größer, wodurch die Leitfähigkeit des Materials sinkt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum ein Leiter mit steigender Temperatur schlechter Strom leiten kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Durch eine erhöhte Temperatur fangen die Atomkerne des Leiters an, sich zu bewegen. Dadurch nehmen sie den Elektronen Platz weg, wodurch sie nicht mehr so gut Strom leiten können.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Unterschied zwischen dem spezifischen Widerstand \(\rho\) und dem Widerstand \(R\).

Antwort anzeigen

Antwort

Der spezifische Widerstand ist eine Materialkonstante. Der Widerstand hingegen wird für jeden Leiter, wie ein Kabel, neu berechnet. Er ist zusätzlich von der Form der Leiter abhängig.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Formel zur Berechnung des Widerstandes.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Widerstand wird über den spezifischen Widerstand \(\rho\), die Länge \(l\) und dem Querschnitt \(A\) des Leiters wie folgt berechnet:


\[R=\rho \frac{l}{A}\]


Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Unterschied zwischen einem Leiter erster und zweiter Klasse.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Leiter erster Klasse leitet den Strom über die Elektronen. Leiter zweiter Klasse leiten Strom über Ionen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wieso sich Ladungsträger durch einen Leiter bewegen, also Strom leiten.

Antwort anzeigen

Antwort

Ladungsträger bewegen sich aufgrund der Spannung. Die Spannung ist ein erzeugter Ladungsunterschied – oder Potentialunterschied – zwischen zwei Polen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne, welche Struktur Metalle ausbilden.

Antwort anzeigen

Antwort

Kristallstruktur

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum Metalle Strom leiten können.

Antwort anzeigen

Antwort

Metalle bilden keine festen Elektronenpaarbindungen aus. Die Elektronen bilden dadurch eine frei bewegliche Elektronenwolke.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum Halbleiter Eigenschaften von Leitern und Isolatoren besitzen.

Antwort anzeigen

Antwort

Halbleiter haben eine vernachlässigbare freie Elektronenanzahl und leiten somit erst mal keinen Strom, wie ein Isolator. Durch Erwärmen können sich Elektronen jedoch aus den Bindungen lösen und somit Strom leiten.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum Isolatoren keinen Strom leiten können.

Antwort anzeigen

Antwort

Isolatoren haben keine freien Elektronen. Somit können sie keinen Strom leiten.

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, welche der folgenden Materialien sich als Leiter eignen.

Antwort anzeigen

Antwort

Silber

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, welche Eigenschaft elektrische Isolatoren haben.

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische Isolatoren können keinen Strom leiten. Sie besitzen keine freien Ladungsträger.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie ein elektrischer Isolator nach dem Energiebändermodell aufgebaut ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Nach dem Energiebändermodell besitzen Isolatoren eine große Bandlücke, die das Valenzband und Leitungsband voneinander trennen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre anhand des Energiebändermodells, warum ein Isolator keinen Strom leiten kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektronen eines Isolators befinden sich im Valenzband und sind unbeweglich. Diese Elektronen können die Bandlücke selbst mit Energiezufuhr nicht überwinden. Das Leitungsband bleibt somit leer. Eine extrem große Energie ist zum Überwinden der Bandlücke notwendig.

Frage anzeigen

Frage

Nenne, wofür elektrische Isolatoren verwendet werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Galvanische Trennung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was eine galvanische Trennung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine galvanische Trennung trennt Stromkreise voneinander, damit sie einander nicht beeinflussen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was Isolatoren durch eine galvanische Trennung im Alltag bewirken.

Antwort anzeigen

Antwort

Isolatoren verhindern das Beeinflussen von Mess- und Audiosignalen von weiteren Stromkreisen. Sie verhindern, dass, etwa bei Wartungen von Stromleitungen, weitere Stromkreise entstehen. Metalle werden isoliert, damit sie untereinander nicht korrodieren und unbrauchbar werden.

Frage anzeigen

Frage

Bestimme alle Isolatoren.

Antwort anzeigen

Antwort

Silikon

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie Keramik als Isolator verwendet wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Keramik hat viele Anwendungen. Ein Beispiel dafür ist als Langstabisolator. Diese werden an Hochspannungs-Freileitungen angebracht. Solch ein Isolator trennt zwei Leiter voneinander.

Frage anzeigen

Frage

Nenne, welchen Vorteil ein Langstabisolator hat.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Langstabisolator hat einen langen Kriechweg. Dadurch wird bei höheren Spannungen ein Durchschlag verhindert.

Frage anzeigen

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