Die elektrische Ladung oder Elektrizitätsmenge ist eine grundlegende physikalische Größe, die im internationalen Einheitensystem in Coulomb angegeben wird. Sie ist eng mit den Bausteinen der Materie verbunden und spielt eine wesentliche Rolle in der elektromagnetischen Wechselwirkung, die zu den fundamentalen Kräften der Natur zählt. Die elektrische Ladung ist verantwortlich für Phänomene wie den Zusammenhalt von Atomen und Molekülen, den elektrischen Strom und sogar Gewitter. In diesem Artikel wollen wir uns näher mit der elektrischen Ladung beschäftigen und ihre Eigenschaften sowie ihre Bedeutung in der Physik untersuchen.
Alltagsbeobachtungen
Wenn wir uns unseren Alltag anschauen, können wir viele Beispiele für elektrische Ladungen finden. Ein eindrucksvolles Beispiel sind Gewitterblitze, die durch elektrische Aufladungen verursacht werden. Auch das Knistern, das wir beim Kämmen unserer Haare hören, entsteht durch Ladungsausgleich beim Reiben der Haare. Selbst beim An- und Ausziehen von Kleidungsstücken können kleine Funken entstehen, begleitet von einem Knistern.
Der Mensch kann elektrische Ladung zwar nicht direkt wahrnehmen, aber indirekt spüren, wenn ein elektrischer Strom durch den Körper fließt. Ein leichter elektrischer Schlag, den man beim Ausziehen von Kleidungsstücken spürt, ist vergleichbar mit dem Gefühl, das man hat, wenn man über einen Teppichboden geht und dann eine Türklinke berührt. In bestimmten Situationen kann elektrischer Strom auch Schmerzen im Zahnnerv verursachen oder ein Kribbeln der Zunge hervorrufen.
Geladene Gegenstände können auch durch Kräfte bemerkbar machen. So können zum Beispiel kleine Polystyrolteilchen von selbst Bewegungen ausführen, was auf die Abstoßungs- oder Anziehungskräfte zwischen gleich- oder ungleichnamig aufgeladenen Teilchen zurückzuführen ist.
Geschichte: Von Thales von Milet bis zur Quantenfeldtheorie
Die Entdeckung der elektrischen Ladung geht auf die antike Zeit zurück. Schon vor etwa 2500 Jahren führte Thales von Milet Experimente durch, bei denen er die von elektrischen Ladungen ausgehenden Kräfte beobachtete. Er stellte zum Beispiel fest, dass ein Stück Bernstein eine anziehende Kraft auf Vogelfedern oder Haare ausübt, nachdem es an einem trockenen Fell gerieben wurde.
Im 17. Jahrhundert setzte der englische Naturforscher William Gilbert die Arbeiten von Petrus Peregrinus fort und fand heraus, dass auch andere Stoffe durch Reibung elektrisch aufgeladen werden können. Er führte den Begriff “elektrica” ein, um die Phänomene zu beschreiben, die er im Zusammenhang mit dem Bernstein entdeckte. Später wurde dieser Begriff als “Elektron” zur Bezeichnung des Trägers der negativen Elementarladung verwendet.
Es dauerte noch einige Jahrhunderte, bis die Eigenschaften der elektrischen Ladung genauer erforscht wurden. Im 19. Jahrhundert wurden quantitative Experimente durchgeführt, um die Beziehung zwischen elektrischer Ladung und anderen physikalischen Größen zu bestimmen. Dabei wurden unter anderem das coulombsche Gesetz und die faradayschen Gesetze formuliert.
In der heutigen Physik wird die elektrische Ladung im Rahmen der Quantenfeldtheorie behandelt. Dort wird sie als Kopplungskonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung betrachtet. Dabei hat die Ladung eine wichtige Rolle bei der Beschreibung der Eigenschaften von Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkung.
Eigenschaften der elektrischen Ladung
Die elektrische Ladung kann positive oder negative Werte annehmen. Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Ladungen, die jeweils ein Vielfaches der Elementarladung tragen. Zum Beispiel hat ein Elektron die Ladung -1e, während ein Proton die Ladung +1e trägt.
Die Gesamtladung eines physikalischen Systems ist gleich der Summe der Ladungen seiner Bestandteile. In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtladung aufgrund der Ladungserhaltung konstant. Physikalische Systeme können nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung tragen.
Die elektrische Ladung ist eine relativistische Invariante, d.h. ihre Größe hängt nicht von der Geschwindigkeit des Körpers ab. Sie ist außerdem eine quantisierte Größe, d.h. sie kann nur bestimmte diskrete Werte annehmen. Die Quantisierung der Ladung ist bislang unerklärt und gehört zu den ungelösten Rätseln der Physik.
Messung der elektrischen Ladung
Die Ladungsmenge kann indirekt über die Messung des elektrischen Stroms bestimmt werden. Wenn ein Strom konstanter Stärke für eine bestimmte Zeit fließt, entspricht die Ladungsmenge dem Produkt aus Stromstärke und Zeit.
Eine andere Methode zur Messung der Ladungsmenge basiert auf der Beziehung zwischen Ladung und Kapazität eines Kondensators. Durch die Messung der Spannung an einem aufgeladenen Kondensator kann die Ladungsmenge bestimmt werden.
Es gibt noch weitere Methoden zur Messung der elektrischen Ladung, die aber komplexer sind und für spezielle Anwendungen entwickelt wurden.
Die elektrische Ladung ist eine grundlegende Größe in der Physik und spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Wissenschaft. Sie ermöglicht die Beschreibung und das Verständnis elektromagnetischer Phänomene und ist eine unverzichtbare Grundlage für die elektrotechnische Anwendung.
