Elektrische Ladung

Der Betrag der Ladung eines Elektrons ist 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Ein Coulomb entspricht damit dem Ladungsbetrag von ungefähr 6.24 Trillionen Elektronen.

Warum ein geriebener Luftballon an der Wand haftet

Reibe einen Luftballon an einem Wollpullover, und er bleibt von selbst an einer Wand hängen. Frischhaltefolie haftet an einer Schüssel, eine Socke klebt nach dem Trocknen an einem Hemd, und ein Kamm zieht nach dem Kämmen trockener Haare Papierschnipsel an. Ähnliches beobachteten Menschen schon vor Tausenden von Jahren an Bernstein, einem fossilen Baumharz: Geriebener Bernstein zieht Strohhalme an. Das Wort elektrisch stammt vom griechischen Wort für Bernstein, elektron. All das sind Wirkungen elektrischer Ladung. In jedem Fall entstand die Aufladung durch das Aneinanderreiben zweier Materialien.

Zwei Arten von Ladung

Versuche mit geriebenen Stäben zeigen, dass es genau zwei Arten elektrischer Ladung gibt. Reibe zwei Glasstäbe mit Seide und hänge sie nebeneinander auf: Sie stoßen sich ab. Auch die beiden Seidentücher stoßen sich ab. Ein Glasstab und ein Seidentuch ziehen sich dagegen an. Benjamin Franklin nannte die beiden Ladungsarten positiv und negativ. Die Regel ist kurz: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Mit zunehmendem Abstand wird die Kraft schwächer. Deshalb muss der Luftballon die Wand berühren oder ihr sehr nahe kommen.

Woher kommt die Ladung? Jedes Atom besitzt einen Kern aus positiv geladenen Protonen und in den meisten Atomen auch ungeladenen Neutronen, umgeben von negativen Elektronen. Ein gewöhnliches Atom hat ebenso viele Elektronen wie Protonen. Seine Gesamtladung ist daher null; wir nennen es neutral. Protonen sind im Kern gebunden, manche Elektronen dagegen nur locker. Durch Reiben gelangen Elektronen von einer Oberfläche auf die andere. Wird Bernstein mit Seide gerieben, nimmt er Elektronen auf und wird negativ. Die Seide gibt Elektronen ab und wird positiv. Es entsteht keine neue Ladung: Sie wird nur übertragen.

Wie viel Ladung? Das Coulomb

Ladung wird in Coulomb gemessen, abgekürzt C. Die kleinste frei auftretende Ladungsmenge in gewöhnlicher Materie ist die Ladung eines Protons, die Elementarladung e. Seit 2019 ist ihr Wert exakt festgelegt: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Ein Elektron trägt −e, ein Proton +e. Weil die Ladung eines Elektrons nur einen winzigen Bruchteil eines Coulombs ausmacht, entspricht ein Coulomb sehr vielen Elektronen: 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. Die Ladung eines Körpers ist stets ein ganzzahliges Vielfaches von e. Sie kann 3e oder 1 000 000e betragen, aber niemals 2.5e. In der Physik heißt das: Ladung ist quantisiert.

Die zweite Regel ist die Ladungserhaltung: Die Gesamtladung eines abgeschlossenen Systems ändert sich nicht. Reibst du den Luftballon an deinen Haaren, erhält er genau so viel negative Ladung, wie deine Haare positive Ladung erhalten. Zusammen ergibt das weiterhin null. Diese Regel hat sich bisher immer bestätigt, vom geriebenen Luftballon bis zu Teilchenkollisionen.

Leiter und Isolatoren

In Metallen sind einige Elektronen nicht an ein bestimmtes Atom gebunden. Diese freien Elektronen können sich durch das ganze Metallstück bewegen, sodass Ladung darin leicht transportiert wird. Solche Stoffe heißen Leiter. Kupfer, Aluminium, Silber und Gold leiten gut. In Kunststoff, Gummi, Glas und trockener Luft bleiben fast alle Elektronen bei ihrem Atom; Ladung bewegt sich dort kaum. Das sind Isolatoren. Ein Haushaltskabel nutzt beides: innen Kupfer zum Ladungstransport, außen Kunststoff, damit die Ladung nicht deine Hand erreicht. Aufladung durch Reiben gelingt bei Isolatoren am besten, weil die übertragene Ladung an Ort und Stelle bleibt, statt sich zu verteilen.

Von ruhender zu fließender Ladung

Ein geriebener Luftballon behält seine Ladung, bis er etwas berührt. Eine Batterie wirkt anders: Sie treibt ständig Ladung durch einen geschlossenen Stromkreis. Im Stromkreislabor unten stellen die blauen Punkte Elektronen dar, die sich durch den Draht bewegen. Die Anzeige erfasst, wie viele Coulomb pro Sekunde durch die Batterie fließen, und rechnet das in eine Elektronenzahl um.