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Elektrische Ladung verstehen und berechnen
Elektrische Ladung beschreibt, ob bei einem Körper positive und negative Ladungen ausgeglichen sind oder ob ein Elektronenüberschuss beziehungsweise Elektronenmangel besteht. Das Formelzeichen ist $Q$, die Einheit ist Coulomb ($C$).
Auf dieser Seite lernst du, das Vorzeichen einer Ladung zu erklären, Ladungen zu berechnen und elektrische Ladung von Stromstärke zu unterscheiden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie entsteht eine positive oder negative Ladung?
Atome enthalten positiv geladene Protonen, negativ geladene Elektronen und elektrisch neutrale Neutronen. Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern, Elektronen in der Atomhülle.
Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung $Q$ ist eine physikalische Größe. Sie gibt die Bilanz der positiven und negativen Ladungen eines Körpers an. Ihre Einheit ist Coulomb ($C$).
Für das Vorzeichen vergleichst du die Zahl der Protonen und Elektronen:
- gleich viele Protonen und Elektronen: $Q = 0$, der Körper ist neutral
- mehr Elektronen als Protonen: $Q < 0$, der Körper ist negativ geladen
- weniger Elektronen als Protonen: $Q > 0$, der Körper ist positiv geladen
Positive Aufladung entsteht im Alltag meist durch den Verlust von Elektronen. Protonen bleiben normalerweise fest in den Atomkernen gebunden.
Ein Körper enthält in der betrachteten Bilanz sechs Protonen und elf Elektronen. Es gibt fünf Elektronen mehr als Protonen. Seine Gesamtladung beträgt daher $Q = -5e$.
Das Minuszeichen zeigt den Elektronenüberschuss. Es bedeutet nicht, dass die Menge „kleiner“ oder schwächer sein muss.
Die Angabe $Q = -2{,}0\,nC$ beschreibt ebenfalls eine negative Ladung. Das Minuszeichen steht für einen Elektronenüberschuss. $nC$ bedeutet Nanocoulomb; ein Nanocoulomb ist ein milliardstel Coulomb.
Neutral bedeutet nicht „ohne geladene Teilchen“. In einem neutralen Körper gleichen sich positive und negative Ladungen aus.
Wie wirken geladene Körper aufeinander?
Geladene Körper können sich ohne direkte Berührung anziehen oder abstoßen. Entscheidend sind ihre Ladungsarten:
- gleichnamige Ladungen stoßen sich ab: positiv–positiv oder negativ–negativ
- ungleichnamige Ladungen ziehen sich an: positiv–negativ
Beim Reiben eines Gummiballons an Haaren können Elektronen von den Haaren auf den Ballon übergehen. Der Ballon wird negativ, die Haare werden positiv.
Ballon und Haare ziehen sich wegen ihrer ungleichnamigen Ladungen an. Die positiv geladenen Haare stoßen sich zugleich gegenseitig ab und können deshalb auseinanderstehen.
Gleichnamig stößt ab, ungleichnamig zieht an.
Wie wird Ladung übertragen?
Beim Aufladen werden normalerweise Elektronen von einem Körper auf einen anderen übertragen. Reibung stellt einen besonders engen Kontakt her und kann diesen Übergang begünstigen.
Im vereinfachten System aus Ballon und Haaren gilt:
- Elektronen verlassen die Haare.
- Dieselben Elektronen gelangen auf den Ballon.
- Die Haare besitzen danach Elektronenmangel und sind positiv.
- Der Ballon besitzt Elektronenüberschuss und ist negativ.
Die Ladungen werden dabei getrennt: Der eine Körper erhält die Elektronen, die dem anderen fehlen.
Bei leitenden Metalloberflächen können sich übertragene Elektronen über die Oberfläche verteilen. Berühren sich geladene Körper, kann Ladung außerdem geteilt oder ausgeglichen werden.
Ein negativer Plastikstab kann Elektronen auf eine neutrale Metallkugel übertragen. Danach ist die Kugel negativ geladen, während der Elektronenüberschuss des Stabs kleiner geworden ist. Das ist Ladungsübertragung mit anschließendem Ladungsausgleich.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Beim Reiben können übertragen werden. Ein Elektronenüberschuss führt zu einer Ladung. Ein Elektronenmangel führt zu einer Ladung.
Wie berechnest du eine Ladung?
Berechnung mit der Elementarladung
Ein Proton trägt die Ladung $+e$, ein Elektron die Ladung $-e$. Der Betrag der Elementarladung ist näherungsweise
$$e = 1{,}6022 \cdot 10^{-19}\,C$$
Messbare Ladungen treten als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auf:
$$Q = N \cdot e$$
$N$ ist die vorzeichenbehaftete Bilanz der Elementarladungen. Ein Elektronenüberschuss führt zu einem negativen, ein Elektronenmangel zu einem positiven Wert von $N$.
Sechs Protonen und elf Elektronen ergeben die Bilanz
$$N = 6 - 11 = -5$$
Damit gilt
$$Q = -5e$$
Das Ergebnis ist negativ, weil fünf Elektronen überzählig sind.
Berechnung bei konstantem Strom
Elektrische Stromstärke $I$ gibt an, wie viel Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt transportiert wird. Bei konstantem Strom gilt:
$$Q = I \cdot t$$
Dabei ist $t$ die Zeit. Weil ein Ampere einer transportierten Ladung von einem Coulomb pro Sekunde entspricht, gilt:
$$1\,C = 1\,A \cdot s = 1\,As$$
Durch einen Leiter fließt vier Sekunden lang ein konstanter Strom von $2\,A$.
Zuerst prüfst du den Zusammenhang: Stromstärke und Zeit sind gegeben, gesucht ist die transportierte Ladung. Deshalb passt $Q = I \cdot t$.
$$Q = 2\,A \cdot 4\,s = 8\,As = 8\,C$$
In den vier Sekunden werden also $8\,C$ Ladung durch den Leiterquerschnitt transportiert.
$Q$ beschreibt eine Ladung oder transportierte Ladungsmenge. $I$ beschreibt, wie viel Ladung pro Zeit transportiert wird. Ladung und Stromstärke sind daher nicht dieselbe physikalische Größe.
Wie weist du elektrische Ladung nach?
Ein Elektroskop weist elektrische Ladung durch die Abstoßung gleichnamiger Ladungen nach. Ladung verteilt sich auf bewegliche Teile des Geräts; deren Abstoßung erzeugt einen sichtbaren Ausschlag.
Ein einfaches Elektroskop zeigt, dass Ladung vorhanden ist, und ermöglicht Vergleiche. Ohne zusätzliche Referenz liefert es jedoch weder einen exakten Zahlenwert in Coulomb noch ein eindeutiges Vorzeichen.
Ein Elektrometer kann Ladung quantitativ messen und einen Wert in Coulomb anzeigen.
Ladung lässt sich auch beim Entladen eines Körpers bestimmen. Dabei misst man die Stromstärke über die Zeit:
- Bei konstantem Strom gilt $Q = I \cdot t$.
- Bei veränderlichem Strom entspricht die transportierte Ladung der Fläche unter dem Strom-Zeit-Verlauf.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektrische Ladung
- Bilanz: neutral, positiv oder negativ
- Ladungsträger: Protonen und Elektronen
- Wirkung: Anziehung oder Abstoßung
- Übertragung: Elektronen wechseln den Körper
- Berechnung: $Q = N \cdot e$ oder $Q = I \cdot t$
- Nachweis und Messung: Elektroskop oder Elektrometer
Abschluss-Check
Wenn du Vorzeichen, Einheit und Situation zuerst prüfst, kannst du Ladungsaufgaben zuverlässig ordnen: Die Elektronenbilanz erklärt die Ladungsart, die Ladungsarten erklären die Kraftwirkung und die passenden Größen bestimmen den Rechenweg.