Ladung und Influenz
Ein geriebener Glasstab und ein geriebener Kunststoffstab ziehen sich gegenseitig an. Zwei geriebene Kunststoffstäbe stoßen sich ab. Was folgt daraus?
Erklärung: Abstoßung gleichartig geriebener und Anziehung verschieden geriebener Stäbe erzwingt genau zwei Ladungsarten mit den bekannten Kraftregeln. Eine einzige Ladungsart könnte keine Abstoßung und Anziehung zugleich erklären; Magnetismus spielt hier keine Rolle.
Was bedeutet es, dass ein Körper elektrisch neutral ist?
Erklärung: Neutral heißt nicht ladungsfrei, sondern ausgeglichen — Protonen und Elektronen sind in gleicher Anzahl vorhanden. Deshalb kann ein neutraler Körper durch Reiben geladen werden, indem Elektronen übertragen werden.
Ein positiv geladener Körper hat einen Überschuss an positiver Ladung, weil ihm Teilchen fehlen. Diese Teilchen heißen ___.
Erklärung: Beim Laden werden nur die beweglichen Elektronen übertragen; die Protonen bleiben im Kern gebunden. Positiv geladen bedeutet daher Elektronenmangel, negativ geladen Elektronenüberschuss.
Ein Körper trägt die Ladung Q = 4,8·10⁻¹⁹ C. Aus wie vielen Elementarladungen besteht diese Ladung? (e = 1,6·10⁻¹⁹ C)
Erklärung: Ladung tritt nur in Vielfachen der Elementarladung auf: N = Q/e = 4,8·10⁻¹⁹/1,6·10⁻¹⁹ = 3. Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladungsportion.
Durch einen Leiter fließt 40 s lang der Strom I = 0,5 A. Berechne die transportierte Ladung. (Antwort in C)
Erklärung: Dynamische Ladungsmessung über Q = I·Δt = 0,5 A · 40 s = 20 C. Die Stromstärke gibt an, welche Ladungsmenge pro Zeit den Leiterquerschnitt passiert.
Beim Entladen eines Körpers fließt in 60 s die Ladung Q = 12 C gleichmäßig ab. Berechne die Stromstärke. (Antwort in A)
Erklärung: Aus Q = I·Δt folgt I = Q/Δt = 12 C / 60 s = 0,2 A. Strom und Ladung hängen über die Zeit zusammen — wer Q kennt, kann I berechnen und umgekehrt.
Eine Glimmlampenschaltung registriert 2 Minuten lang einen mittleren Strom von 50 mA. Berechne die geflossene Ladung. (Antwort in C)
Erklärung: Erst Einheiten umrechnen (50 mA = 0,05 A; 2 min = 120 s), dann Q = I·Δt = 0,05 · 120 = 6 C. Wer die Minuten nicht in Sekunden umrechnet, erhält den falschen Wert 0,1 C.
Am Ausschlag eines Elektroskops kann man ablesen, ob der untersuchte Körper positiv oder negativ geladen ist.
Erklärung: Das Elektroskop zeigt nur, dass und wie stark ein Körper geladen ist — der Zeiger schlägt bei beiden Ladungsarten gleich aus. Das Vorzeichen lässt sich nur durch Vergleich mit einer bekannten Ladung ermitteln.
Ein geladener Kunststoffstab wird einem Elektroskop genähert, ohne es zu berühren. Der Zeiger schlägt aus. Erkläre die Beobachtung.
Erklärung: Ohne Berührung wird keine Ladung übertragen — der geladene Stab trennt lediglich die Ladungen im Leiter räumlich (elektrische Influenz), sodass Zeiger und Gehäuse gleichnamig geladen sind und sich abstoßen. Ein Ladungsübersprung würde einen Funken erfordern.
Die räumliche Ladungstrennung in einem leitenden Körper durch einen genäherten geladenen Körper bezeichnet man als elektrische ___.
Erklärung: Influenz setzt frei bewegliche Ladungen voraus und tritt deshalb nur in Leitern auf. Im Isolator gibt es stattdessen Polarisation, das Ausrichten von Dipolen.
Ein geladener Kunststoffstab lenkt einen dünnen Wasserstrahl ab. Warum wirkt eine Kraft auf das ungeladene Wasser?
Erklärung: In Wassermolekülen ist die Ladung unsymmetrisch verteilt (Dipole); der Stab richtet sie aus, sodass die näher liegende, ungleichnamige Seite stärker angezogen wird — elektrische Polarisation. Der Strahl bleibt dabei insgesamt neutral, es wird keine Ladung übertragen.
Der Wasserstrahl wird nur von einem negativ geladenen Stab abgelenkt — ein positiv geladener Stab stößt ihn ab.
Erklärung: Beide Ladungsarten lenken den Strahl zum Stab hin ab, denn die Dipole drehen jeweils ihre ungleichnamige Seite zum Stab. Genauso zieht ein geladener Stab neutrales Konfetti unabhängig vom Vorzeichen an.
Worin unterscheiden sich Influenz und Polarisation?
Erklärung: Entscheidend ist die Beweglichkeit der Ladungen. Im Leiter wandern freie Elektronen über den ganzen Körper (Influenz); im Isolator verschieben sich nur die Ladungsschwerpunkte innerhalb der Moleküle (Polarisation). Ladung wird bei beiden Vorgängen nicht übertragen.
Rund 6,25·10¹⁸ Elementarladungen ergeben zusammen die Ladung 1 C.
Erklärung: Aus e = 1,6·10⁻¹⁹ C folgt 1 C / 1,6·10⁻¹⁹ C = 6,25·10¹⁸. Die Einheit Coulomb ist über die Stromstärke definiert: 1 C = 1 As.
Ein Kunststoffstab trägt nach dem Reiben die Ladung Q = −8·10⁻⁹ C. Wie viele Elektronen hat er beim Reiben aufgenommen? (e = 1,6·10⁻¹⁹ C; Antwort in Milliarden)
Erklärung: N = |Q|/e = 8·10⁻⁹ C / 1,6·10⁻¹⁹ C = 5·10¹⁰ = 50 Milliarden Elektronen. Das negative Vorzeichen heißt Elektronenüberschuss — der Stab hat Elektronen aufgenommen, keine positiven Ladungen verloren.
Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt.
Erklärung: I = Q/t — ein Ampere ist ein Coulomb pro Sekunde. Deshalb ergibt Stromstärke mal Zeit die transportierte Ladung.