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1. TEIL - ELEKTRIZITÄT

Elektrische Ladung

Der Begriff ”Ladung” bzw. ”Elektrische Ladung” begegnet uns in der Welt der Elektrotechnik. Der Begriff ”Elektrizität” ist dem griechischen Sprachgebrauch entlehnt. Dies rührt daher, dass bereits die Griechen in der Antike in der Lage waren, durch Reiben eines Bernsteins mit Tüchern leichte Körper von diesem Bernstein anziehen zu lassen oder auch auf diese Weise Funken zu erzeugen. Der Bernstein hatte seinen Namen nach dem Fluss, wo er gefunden wurde: ”Electron”. Demnach bedeutete für die Griechen Elektrizität etwa so viel wie ”Bernsteineigenschaft”. Es ist allerdings nicht leicht einzusehen, dass die Elektrizität aus der Steckdose und diejenige, die durch Reiben eines Bernsteins entsteht denselben Ursprung haben.

Um zu einer Vorstellung über die Elektrizität zu gelangen, fangen wir am besten bei der Erscheinung an, die uns aus dem Alltag bekannt ist: Das Einschalten einer Lampe. Wenn man den Stecker einer Tischlampe in die Steckdose steckt und den Schalter der Lampe betätigt, dann leuchtet sie auf (wenn die Glühbirne in Ordnung ist), und man sagt: ”Es fließt ein (elektrischer) Strom.” Mit dem Begriff Strom möchte man andeuten, dass sich etwas bewegt. Es ”strömt” also etwas durch die elektrische Leitung (Kupferdraht). Dieses Etwas nennt man schlicht elektrische Ladung. Elektrische Ladungen sind stets an die klassischen Elementarteilchen gebunden, wie z. B. Protonen, Neutronen und Elektronen. Daher meint man mit ”Es fließt ein elektrischer Strom”, dass in einem Stromleiter elektrische Ladungsträger, z. B. Elektronen, strömen, d. h. sich bewegen.

Um zu klären, welche Elementarteilchen als Ladungsträger auftreten, benötigt man ein wenig Wissen über den Aufbau der Atome. Atome sind aus Elementarteilchen zusammengesetzt und bestehen im wesentlichen aus einem Kern und einer Hülle. Der Kern setzt sich zusammen aus Protonen und Neutronen, die Hülle ist der Aufenthaltsort der Elektronen. In einem vollständigen Atom gibt es genauso viele Elektronen wie Protonen. Deswegen erscheint ein solches Atom nach außen hin elektrisch neutral. Die Elektronen der Hülle werden durch elektrische Kräfte an den Atomkern gebunden. Verliert ein Atom eines der Elektronen aus der Hülle, so sagt man, dass es ionisiert wurde, und man spricht dann von einem positiv geladenen Ion, anstatt von einem Atom. In diesem Falle ist es nach außen hin positiv geladen, da die positive Ladung der Protonen überwiegt. Alle Stoffe sind aus Atomen zusammengesetzt. In einem Metall beispielsweise hat jedes Atom ein Elektron aus der Hülle abgestoßen. Die verbliebenen Atomrümpfe (Ionen) sind in einem regelmäßigen räumlichen Gitter angeordnet (Metallgitter), wobei sich die frei gewordenen Elektronen innerhalb des Metalls regellos durcheinander bewegen können, ähnlich wie Teilchen in einem Gas, z. B. Luft. Man spricht dementsprechend auch von einem Elektronengas. Diese freien Elektronen stehen somit als frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Eine Stromquelle wird diesen Elektronen eine gerichtete Bewegung aufzwingen (Driftbewegung): Es fließt ein Strom. Die positiven Ladungen dagegen sind fest an die Atomkerne (Protonen) der Gitterbausteine gebunden und können sich nicht fortbewegen.

Zusammenfassend halten wir fest: Es ist die elektrische Leitung in einem Metall eine Elektronenleitung, und es ist der elektrische Strom eine Elektronenbewegung. Dabei tritt jedes einzelne der Elektronen als Träger einer einzigen negativen Elementarladung (1e-) auf.