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Elektrotechnik - Elektrische Ladung

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Elektrotechnik

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist selbst heutzutage nicht restlos in Bezug auf ihre physikalische Natur geklärt. In ihrer Wirkung ist sie jedoch bekannt und kann somit als physikalische Größe definiert werden. Dass die Erscheinungen und Wirkungen der Elektrizität überhaupt entdeckt wurden, liegt letztlich am Vorhandensein von elektrischen Ladungen. 

Die Bedeutung der elektrischen Ladung erschließt sich aus folgender Analogie:

Merke

Das Auskommen ohne elektrische Ladungen in der Elektrotechnik ist vergleichbar mit dem Fehlen von Masse in der technischen Mechanik. 

Ladungsträger

Um eine elektrische Ladung in Bewegung bringen zu können, bedarf es Ladungsträger. Diese sind die Bestandteile der Atome, die entweder eine elektrische Ladung besitzen oder elektrisch neutral sind. Man unterscheidet  

  • Protonen: Diese Atombausteine besitzen eine positive Ladung.
  • Elektronen: Diese Teilchen besitzen eine negative Ladung.
  • Neutronen: Diese Teilchen sind "neutral" und besitzen eine Ladung mit dem Wert 0.
Atommodell nach Rutherford
Atommodell nach Rutherford

Ob nun die Gesamtladung positiv oder negativ wird, hängt von der überwiegenden Teilchenladung ab. Ist ein Atom nicht neutral und weist eine Ladung auf, so bezeichnet man es als Ion. Ist es positiv geladen, erhält es den Zusatz Kation oder im umgekehrten negativen Ladungsfall den Zusatz Anion.

Beispiel:

Beispiel

Ein Kupferatom verfügt über 29 Protonen und 34 Neutronen im Kern sowie 29 Elektronen in der Atomhülle $\Longrightarrow $ Die Gesamtladung ist somit neutral!

Beispiel

Annahmen zufolge beträgt auf der Erde die Gesamtzahl der Protonen genau der Gesamtzahl der Elektronen, womit auch unser Planet als elektrisch neutral betrachtet werden darf.
Grafik: Das Atommodell
Atommodell mit Ladungsträgern
Atommodell mit Ladungsträgern

Formelzeichen und Einheit

Die Messgröße der elektrischen Ladung ist Quantum und das zugehörige Formelzeichen entsprechend das $Q $.

Die Einheit der elektrischen Ladung ist Coulomb mit dem Kurzzeichen $ C $.

Dabei gelten folgende Gesetzmäßigkeiten:

$ [Q] = 1 C = 1 A \cdot s = 1 Amperesekunde $ [Ladungsmenge pro Sekunde, die durch einen Leiterquerschnitt fließt, wenn der Strom konstant ein Ampere beträgt]

sowie

$ [-Q] = - 1 C = 6,25 \cdot 10^{18} $ Elektronen

$ [+Q] = + 1 C = 6,25 \cdot 10^{18} $ Protonen

Elementarladung und Ladungsmenge

Kein geladenes Teilchen kann eine geringere Ladung aufweisen, als ein Proton oder Elektron. Man spricht daher auch von der Elementarladung. 

Elementarladung Proton: $ Q_P = 1,6 \cdot 10^{-19} C $ 

Elementarladung Elekton: $ Q_E = - 1,6 \cdot 10^{-19} C $

Ladungsbetrag: $ e = Q_P = - Q_E $ 

Die Ladungsmenge $ Q $ beschreibt das ganzzahlige Vielfache der Elementarladung.

Ladungsmenge : $ Q = \pm n \cdot e $

$ n = $ Anzahl der Elementarladungen.

Wichtig

Bereits hier können Sie vielleicht schon erahnen, dass besonders in der Elektrotechnik eine Vielzahl von Formeln, Gleichungen und Einheiten auf Sie zu kommt. Sie sollten daher schon frühzeitig anfangen, diese nach Möglichkeit auswendig zu lernen oder sich eine begleitende Formelsammlung anzulegen.   

Leiter, Halbleiter, Isolatoren

Auch in der Werkstofftechnik spielt die Ladung und speziell das Vorhandensein von Ladungsträgern eine entscheidende Rolle bei der Auswahl von Leitern oder Nichtleitern (Isolatoren). Werkstoffe, die innerhalb ihrer Strukturen weniger als $ 1 \cdot 10^7 .... 1\cdot 10^9 cm^{-3}$ freie Elektronen besitzen, werden der Gruppe der Isolatoren zugeordnet.
Liegt die Anzahl der freien Elektronen im Bereich von $ 1 \cdot 10^{10} ... 1\cdot 10^{18} cm^{-3}$, so handelt es sich bei dem Werkstoff um einen Halbleiter. Jedes Material, dessen Anzahl freier Elektronen oberhalb des Bereiches der Halbleiter liegt, wird als Leiter bezeichnet. 

Leiter und Isolatoren am Umspannwerk
Leiter und Isolatoren am Umspannwerk

Nebeneffekte von Ladungsträgerbewegungen

Die Bewegung von Ladungsträgern verursacht nicht selten Nebeneffekte, die je nach Eigenschaft der Elemente innerhalb des Schaltkreises unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Die drei relevantesten sind dabei:

1. Chemische Effekte: Die Ladungsträgerbewegung veursacht einen Stofftransport.

2. Thermische Effekte: Der Stoff erwärmt sich infolge der Ladungsträgerbewegung.

3. Magnetische Effekte: Durch die Ladungsträgerbewegung bauen sich magnetische Felder auf.