Grundlagen der Elektrostatik: Elektrische Ladungen, Leiter und Isolatoren

Grundlagen der Elektrostatik

Die Elektrostatik beschäftigt sich mit dem Studium der elektrischen Ladungen in Ruhe. Objekte können auf bis zu drei Arten elektrisch geladen werden: durch Reibung, Kontakt oder Induktion.

Elektrische Ladungen (Q)

• Protonen und Elektronen des Atoms besitzen eine elektrische Ladung (positiv bzw. negativ).
• Anziehungskräfte zwischen diesen Teilchen bilden Atome.
• Jedes Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist.
• Die Elektronen aller Atome sind identisch: Sie haben die gleiche elektrische Ladung und die gleiche Masse.
• Protonen und Neutronen bilden den Kern des Atoms. Protonen und Elektronen haben die gleiche Ladungsmenge.
• Im Allgemeinen sind Atome neutral, da sie die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen besitzen; andernfalls werden sie als Ionen bezeichnet.
• Die Protonen im Kern stoßen sich nicht ab, da die Kernkraft, die sie zusammenhält, größer ist als die elektrische Abstoßung.
• Die Elektronen umkreisen den Kern und stürzen aufgrund der Wellennatur des Atoms nicht auf ihn.
• Die SI-Einheit zur Messung der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C), was $6,25 \times 10^{18}$ Elektronen entspricht.

Eigenschaften der Ladung

• Es gilt der Ladungserhaltungssatz: Bei einer Aufladung durch Reibung wird Ladung nicht erzeugt, sondern nur von einem Ort zum anderen übertragen.
• Die Quantisierung der elektrischen Ladung besagt, dass die Ladung eines elektrisch geladenen Objekts immer ein Vielfaches der Elementarladung ist (entspricht der elektrischen Ladung eines Elektrons oder Protons, $1,6 \times 10^{-19} \text{ C}$).

Leiter und Isolatoren (Dielektrika)

• Leiter sind Materialien, die viele freie Elektronen besitzen, die nicht fest an den Kern gebunden sind.
• Isolatoren und dielektrische Materialien sind solche, bei denen die Elektronen fest an den Kern gebunden sind, was die Bewegung der Ladung erschwert. Sie sind auch schlechte Wärmeleiter.
• Alle Stoffe können nach ihrer Fähigkeit, elektrische Ladungen zu leiten, sortiert werden.
• Darüber hinaus gibt es Halbleiter und Supraleiter. Halbleiter verhalten sich bei einer bestimmten Temperatur wie Leiter und bei anderen Temperaturen wie Isolatoren. Supraleiter weisen keinen Widerstand gegen den Stromfluss auf, was ihre Leitfähigkeit stark verbessert.

Formen der Elektrifizierung

• Aufladung durch Reibung: Tritt auf, wenn zwei ursprünglich neutrale Körper aneinander gerieben werden. Durch den Austausch von Elektronen werden die Körper unterschiedlich geladen.
• Aufladung durch Kontakt: Tritt ein, wenn ein geladener Körper einen neutralen Körper berührt. Dabei können Elektronen vom geladenen auf den neutralen Körper übertragen werden, bis sich beide Körper auf einem ähnlichen Ladungsniveau befinden. Beide Körper werden geladen.
• Aufladung durch Induktion: Tritt ein, wenn ein geladener Körper in die Nähe von zwei zusammenliegenden, neutralen Körpern gebracht wird. Die Ladung des Objekts ordnet die Ladungen in den neutralen Körpern an, sodass ein Körper positiv und der andere negativ geladen wird (ohne direkten Kontakt).

Coulombsches Gesetz

Der Wert der Ladung eines Körpers kann durch die Anzahl der Elektronen bestimmt werden, die der Körper verliert oder gewinnt. Dieser Weg zur Bestimmung der Ladung ist jedoch unpraktisch, da bei einem Elektrifizierungsprozess eine sehr große Anzahl von Elektronen übertragen wird, was zu sehr großen Zahlen führen würde. In der Praxis wird die Ladung mithilfe eines geeigneten Geräts in Coulomb gemessen.