Grundlagen Elektrostatik

Die elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft von Materie. Materie besteht aus Atomen, diese wiederum bestehen aus Protonen und Neutronen (Bestandteile des Atomkerns) und Elektronen (in der Atomhülle). Sowohl Elektronen und Protonen haben eine Ladung – die gesamten Atome sind jedoch ungeladen. Folgende kleine Versuche geben Aufschluss über die Eigenschaften von elektrischen Ladungen:

Versuch 1:

Ein Kunststoffstab wird mit einem Wolltuch gerieben. Alternativ kann man einen Glasstab mit einem Seidentuch reiben. Mit dem geriebenen Stab berührt man Papierschnitzel, Watteteilchen oder kleine Styroporteilchen.

Beobachtung:

Die Papierschnitzel etc. werden von den geriebenen Stäben angezogen und bleiben an ihnen haften.

Versuch 2:

Eine Glimmlampe wird langsam mit einem Ende über den geriebenen Stab gezogen.

Beobachtung:

Die Glimmlampe leuchtet kurz auf.

Man sieht: Durch das Reiben wurde Elektrizität erzeugt.

Versuch 3:

Zwei gleichartig geriebene Kunststoffstäbe werden einander genähert. Einer der Stäbe liegt dabei drehbar gelagert auf einem Drehstativ. Anschließend wird der Versuch mit einem Kunststoffstab und einem Glasstab wiederholt.

Beobachtung:

Die beiden gleichartigen Stäbe stoßen sich ab, die verschiedenen Stäbe ziehen sich an.

Erklärung der Beobachtungen:

Durch das Reiben werden die Stäbe elektrisch geladen. Dabei gehen einige relativ locker sitzende Elektronen vom Tuch auf den Stab über oder umgekehrt. Dadurch entsteht im Stab entweder ein Elektronenüberschuss (der Stab wird negativ geladen) oder ein Elektronenmangel (der Stab wird positiv geladen).

Ladungsnachweis mit dem Elektroskop

Mit einem Elektroskop lässt sich elektrische Ladung nachweisen.

Ein Elektroskop besteht aus einem Gehäuse, einem senkrechten Metallstab und einem leicht beweglichen Zeiger, der an dem Metallstab aufgehängt ist. Nähert man dem oberen Ende des Elektroskops einen geladenen Körper, so schlägt der Zeiger aus. Der Zeigerausschlag ist dabei ein Maß für die Größe der Ladung.

Die frei beweglichen Elektronen bewegen sich innerhalb des Elektroskops je nach Vorzeichen der Ladung auf dem Stab nach oben oder nach unten. Zeiger und Halterung haben somit die gleiche Ladung und stoßen sich gegenseitig ab.

Resultat: Der Zeiger schlägt aus.

Bei andersartiger Ladung des Stabes ist kein Unterschied zu erkennen – die Art der Ladung lässt sich mit dem Elektroskop nicht ermitteln.

Elektrische Influenz und dielektrische Polarisation

Du hast bereits die magnetische Influenz kennengelernt. (Zur Erinnerung: In einem Magnetfeld richten sich die Elementarmagnete in einem ferromagnetischen Stoff aus – der Körper wird im Magnetfeld vorübergehend selbst zum Magneten.)

Die elektrische Influenz ist damit vergleichbar:

Bringt man einen geladenen Körper in die Nähe eines leitenden, nach außen ungeladenen Körpers, so wirken zwischen den Ladungen Kräfte. Sie bewirken auf dem leitenden Körper eine Ladungsverschiebung und damit eine Ladungstrennung, die als Influenz bezeichnet wird:

Sobald der geladene Körper entfernt wird, verteilen sich die Ladungen wieder gleichmäßig. Die Ladungsverschiebung erfolgt also nur vorübergehend.

(Info: In einem festen Leiter verschieben sich immer nur die Elektronen, also die negativen Ladungen. Die positiven Ladungen sind nicht beweglich sondern an die Atome gebunden.)

Auch mit dem Elektroskop lässt sich Influenz zeigen.

Der Zeiger schlägt aus, sobald man dem oberen Ende des Elektroskops einen geladenen Stab nähert:

Im Elektroskop kommt es zur Ladungstrennung:

Ist der Stab negativ geladen, verschieben sich die Elektronen im Elektroskop nach unten – sowohl der Zeiger als auch der untere Teil des Stabes sind nun negativ geladen, der Zeiger wird abgestoßen.

Dielektrische Polarisation

Bringt man einen geladenen Körper in die Nähe eines Isolators, so kommt es aufgrund der Kraftwirkungen zwischen Ladungen zu einer Ausrichtung der gebundenen Ladungen. Es bilden sich kleinste elektrische Dipole. Damit kann sich die Oberfläche eines Isolators positiv oder negativ aufladen.

Der Vorgang der Ladungsverschiebung auf Isolatoren unter dem Einfluss eines anderen geladenen Körpers aufgrund der zwischen Ladungen wirkenden Kräfte wird als dielektrische Polarisation bezeichnet.

Warum werden Papierschnitzel von elektrisch geladenen Stäben angezogen?

Auch dieses Phänomen kann mit der dielektrischen Polarisation erklärt werden:

Nähert man einem Papierschnitzel einen negativ geladenen Hartgummistab, so werden die negativen Ladungen in den Molekülen des Papiers vom geladenen Stab abgestoßen, die positiven dagegen angezogen. Positive und negative Ladungen in den Molekülen verschieben sich in entgegengesetzte Richtungen (Ladungsverschiebung).

Sie entfernen sich dabei aber nur um eine kleine Strecke, weil Papier ein Isolator ist, in dem kein elektrischer Strom fließen kann. Dem Hartgummistab steht als Folge der Ladungsverschiebung eine Schicht positiver Molekülenden gegenüber. Die Anziehungskraft zwischen diesen Molekülenden und dem Stab ist größer als die Abstoßungskraft auf die weiter vom Stab entfernten negativen Molekülenden.

Folge: Das Papierschnitzel wird angezogen.

 

Nichtleiter:

Die Elektronen sind nicht frei beweglich. Sie werden in der Atomhülle verschoben. Es bilden sich elektrische Dipole.

Man spricht daher von dielektrischer Polarisation.