Elektrisierung, Elektroskop und elektrische Leiter
Grundlagen der elektrostatischen Aufladung
Die Elektrisierung (elektrische Aufladung) beschreibt den Vorgang, bei dem Körper eine elektrische Ladung erhalten. Es gibt drei grundlegende Arten der Aufladung:
1. Elektrisierung durch Reibung
Werden zwei zuvor neutrale Körper aneinandergerieben, gehen Elektronen von einem Körper auf den anderen über. Der Körper, der Elektronen abgibt, bleibt positiv geladen zurück, während der Körper, der die Elektronen aufnimmt, negativ geladen wird. Auf diese Weise wird ein neutraler Körper durch gegenseitige Reibung elektrisch aufgeladen.
2. Elektrisierung durch Kontakt (Berührung)
Berührt ein elektrisch geladener Körper (beispielsweise positiv geladen) einen neutralen Körper, fließt im Moment des Kontakts elektrische Ladung von einem Körper auf den anderen über. Da sich gleichnamige Ladungen gegenseitig abstoßen, verteilt sich die Ladung auf beide Objekte. Ein neutraler Körper wird folglich geladen, indem er in direkten physischen Kontakt mit einem bereits elektrisierten Körper gebracht wird.
3. Elektrisierung durch Induktion (Influenz)
Nähert man einen geladenen Körper einem neutralen Körper an, ohne ihn direkt zu berühren, werden ungleiche Ladungen angezogen und gleichnamige Ladungen abgestoßen. Auf der dem geladenen Körper zugewandten Seite sammeln sich entgegengesetzte Ladungen an, während auf der abgewandten Seite gleichnamige Ladungen verbleiben. Obwohl das Gesamtobjekt zunächst neutral bleibt, wird die Ladung räumlich getrennt (Ladungsverschiebung).
Dieses Phänomen tritt nicht bei allen Objekten auf, da die beteiligten Körper elektrisch leitfähig sein müssen. Der Körper, der die Ladung bewirkt, wird als Induktor (induzierender Körper) bezeichnet, während die am beeinflussten Körper hervorgerufene Ladung induzierte Ladung (Influenzladung) genannt wird. Wird der induzierende Körper wieder entfernt, verschwindet auch die Ladungstrennung. Ein durch Influenz beeinflusster Körper verhält sich bipolar, da er zwei entgegengesetzte Pole (positiv und negativ) ausbildet.
Das Elektroskop
Das Elektroskop ist ein klassisches physikalisches Nachweisinstrument zur Feststellung vorhandener elektrischer Ladungen auf einem Körper. Es ist ein historisches Gerät, das heute vorwiegend zu Lehrzwecken dient.
Ein Elektroskop besteht typischerweise aus:
- einem transparenten, geschlossenen Glasbehälter,
- zwei beweglichen Metallblättchen (z. B. aus Gold oder Aluminium),
- einem Metallstab und
- einer Metallkugel am oberen Ende.
Das Gefäß ist durch isolierendes Material verschlossen, damit die metallischen Bestandteile isoliert bleiben und Ladungen nicht unkontrolliert abfließen können. Jede elektrische Ladung, die auf die Metallkugel übertragen oder ihr angenähert wird, leitet der Metallstab direkt an die Metallblättchen weiter. Die Blättchen hängen im ungeladenen Zustand durch ihr Eigengewicht herab. Werden sie jedoch über den Stab gleichnamig aufgeladen (sei es positiv oder negativ), stoßen sie sich gegenseitig ab und spreizen sich auseinander. Berührt man die Kugel mit der Hand, wird das Elektroskop entladen (geerdet) und die Blättchen fallen wieder zusammen.
Elektrische Leiter und Isolatoren
Elektrische Leiter sind Materialien, die das freie Fließen elektrischer Ladungen (bzw. elektrischer Ströme) in ihrem Inneren ermöglichen. Isolatoren (Nichtleiter) hingegen besitzen kaum freie Ladungsträger und verhindern daher die Bewegung und Verschiebung elektrischer Ladungen in ihrem Inneren.