Was Ist Elektrische Ladung?

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Die elektrische ladung ist eine grundlegende eigenschaft der materie und die grundlage für den strom.

Die meiste elektrische Ladung wird von den Elektronen und Protonen innerhalb eines Atoms getragen. Es wird gesagt, dass Elektronen eine negative Ladung tragen, während Protonen eine positive Ladung tragen sollen, obwohl diese Markierungen völlig willkürlich sind (dazu später mehr). Protonen und Elektronen ziehen sich an, der Archetyp des Klischees "Gegensätze ziehen sich an", so die Website der University of Georgia, HyperPhysics. Umgekehrt stoßen sich zwei Protonen ebenso ab wie zwei Elektronen.

Protonen und Elektronen erzeugen elektrische Felder, die eine als Coulomb-Kraft bezeichnete Kraft ausüben, die in alle Richtungen nach außen strahlt. Laut Serif Uran, einem Professor für Physik an der Pittsburg State University, strahlt das elektrische Feld von einem geladenen Teilchen nach außen aus, ähnlich wie Licht von einer Glühlampe nach außen abgestrahlt wird. Genau wie bei der Helligkeit des Lichts nimmt die Stärke des elektrischen Felds mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab (1 /r2). Wenn Sie sich zweimal so weit weg bewegen, verringert sich die Stärke des Feldes auf ein Viertel, und wenn Sie sich dreimal so weit weg bewegen, verringert sich das Feld auf ein Neuntel.

Da Protonen im Allgemeinen auf die in Atomen eingebetteten Kerne beschränkt sind, können sie sich bei weitem nicht so frei bewegen wie Elektronen. Wenn wir also über elektrische Ladung sprechen, meinen wir fast immer einen Überschuss oder ein Defizit an Elektronen. Wenn ein Ladungsungleichgewicht besteht und Elektronen fließen können, wird ein elektrischer Strom erzeugt.

Ein lokalisiertes und anhaltendes Defizit oder Überschuss von Elektronen in einem Objekt verursacht statische Elektrizität. Bei Strom kann es zu einer plötzlichen Entladung statischer Elektrizität kommen, z. B. eines Blitzes oder eines Funkenfunken zwischen Ihrem Finger und einer geerdeten Lichtschalterplatte. der stetige Fluss von Gleichstrom (DC) von einer Batterie oder Solarzelle; oder ein oszillierender Strom, wie der von einem Wechselstromgenerator (AC-Generator), einem Funksender oder einem Audioverstärker.

Elektrisches Universum

Wir sind uns der elektrischen Ladung normalerweise nicht bewusst, da die meisten Objekte gleich viel positive und negative Ladung enthalten, die sich gegenseitig effektiv neutralisieren, so Michael Dubson, Physikprofessor an der University of Colorado Boulder. Es wird allgemein angenommen, dass die Nettoladung des Universums neutral ist. Wenn das Verhältnis von positiver zu negativer Ladung nur um den Faktor 10 abnahm−40Die Coulomb-Kraft wäre mächtiger als die Schwerkraft, was das Universum ganz anders machen würde als das, was wir beobachten, erklärte Dubson gegenüber WordsSideKick.com. Dennoch haben einige Forscher, wie etwa Michael Düren von der Justus-Liebig-Universität Gießen in Deutschland, über die Möglichkeit eines elektrisch geladenen Universums spekuliert.

Frühe elektrische Forschung

Positive und negative Ladungswerte wurden ursprünglich von dem amerikanischen Staatsmann und Erfinder Benjamin Franklin festgelegt, der 1742 mit dem Studium der Elektrizität begann. Bis zu diesem Zeitpunkt glaubten die meisten Menschen, dass elektrische Effekte auf das Mischen zweier verschiedener elektrischer Flüssigkeiten zurückzuführen seien, eine positive und eine negative. Franklin war jedoch überzeugt, dass es nur eine einzige elektrische Flüssigkeit gab und dass Gegenstände diese Flüssigkeit übermäßig oder mangelhaft haben könnten. Laut der Universität von Arizona hat er daher die Begriffe positiv und negativ erfunden, um einen Überschuss bzw. Mangel zu bezeichnen.

Die Einheit zur Messung der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C), benannt nach Charles-Augustin Coulomb, einem französischen Physiker aus dem 18. Jahrhundert. Coulomb entwickelte das Gesetz, das besagt, dass "sich Anklagen abweisen; anders als Anklagen ziehen sich an". Ein Coulomb ist definiert als die Ladungsmenge, die eine Sekunde lang mit einem Strom von einem Ampere transportiert wird. Laut HyperPhysics klingt dies nach einer kleinen Menge: "Zwei Ladungen von je einem Coulomb, die durch einen Meter voneinander getrennt sind, stoßen sich mit einer Kraft von etwa einer Million Tonnen ab!" Elektrotechniker ziehen es häufig vor, ein größeres Gerät zu verwenden, die Amperestunde, die 3.600 C entspricht.

Die Coulomb-Kraft ist eine der beiden fundamentalen Kräfte, die auf makroskopischer Ebene spürbar sind, die andere ist die Schwerkraft. Die elektrische Kraft ist jedoch viel, viel stärker als die Schwerkraft. Die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen zwei Protonen aufgrund ihrer Ladung beträgt 4,1 × 1042 mal stärker als die anziehende Gravitationskraft zwischen ihnen aufgrund ihrer Masse. Dies gilt für jede Entfernung, da die Entfernung auf beiden Seiten der Gleichung aufgehoben wird.

Wie groß ist die Zahl? Ein Vergleich der Größe der beiden Kräfte ist vergleichbar mit dem Vergleich der Masse der Erde mit der Masse eines einzelnen Penicillinmoleküls! Die Schwerkraft beherrscht das Universum jedoch immer noch in großem Maßstab, da es im Gegensatz zur Ladung möglich ist, große Mengen an Masse zusammenzubauen. Große Ansammlungen von ähnlich geladenen Teilchen sind aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung und ihrer Affinität für ungleiche Ladungen nicht möglich.

Andere Eigenschaften der Ladung

Die elektrische Ladung wird quantisiert, was bedeutet, dass sie in diskreten Einheiten auftritt. Protonen und Elektronen tragen Ladungen von ± 1,602 × 10−19 C. Jede Akkumulation von Ladungen ist ein gerades Vielfaches dieser Zahl, und es können keine Teilkosten anfallen. Die Quantenchromodynamik (QCD) besagt, dass Protonen und Neutronen jeweils aus drei Quarks mit Ladungen von +2/3 oder -1 / 3 der Einheitsprononenladung zusammengesetzt sind und zwei von einem und einem der anderen Teilchen sich zu Partikeln mit Ladungen von zusammenschließen Null oder +1 Einheitsgebühr.

Diese Partikel können jedoch nicht separat existieren.Immer, wenn Sie versuchen, ein Proton oder Neutron in seine konstituierenden Quarks aufzuspalten, ist dafür sehr viel Energie erforderlich. Die Energie wird entsprechend der berühmten Gleichung von Einstein in Materie umgewandelt E = mc2und statt eines einzelnen Quarks erhalten Sie ein neutral geladenes Quark-Antiquark-Paar, das als Meson bezeichnet wird. Man glaubt jedoch, dass Elektronen wirklich fundamental sind, was bedeutet, dass sie nicht in kleinere Teile aufgeteilt werden können.

Elektrische Ladung ist eine konservierte Menge. Das bedeutet, dass sie nicht erzeugt oder zerstört werden kann und die Nettoladung der elektrischen Ladung im Universum konstant und unveränderlich ist. Positive und negative Ladungen können sich gegenseitig neutralisieren oder neutrale Partikel können sich spalten, um positiv und negativ geladene Partikelpaare zu bilden. Die Nettoladung bleibt jedoch immer gleich.

Zusätzliche Ressourcen

  • Physics4Kids.com: Coulombs Gesetz
  • Das Physik-Klassenzimmer: Aktuelle Elektrizität
  • HyperPhysics: Elektrische Ladung


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