Elektrotechnik Grundlagen

Elektrische Ladung

In diesem Beitrag erfährst du, was die elektrische Ladung ist, welche wichtigen Einheiten und Formeln es dazu gibt und wie du sie dir vorstellen kannst.

Du lernst mit Videos besser als beim Lesen von Beiträgen? Wunderbar! Auch für die elektrische Ladung haben wir ein animiertes Video%verlinken.

Inhaltsübersicht

Elektrische Ladung einfach erklärt

Die elektrische Ladung ist eine physikalische Eigenschaft, die Objekte besitzen können – ähnlich wie Objekte eine Masse haben können. Sowohl die Masse als auch die elektrische Ladung sind Zahlen. Doch welche Aussagekraft haben diese Zahlen? 

Merke: Elektrische Ladung als Eigenschaft von Objekten

Die elektrische Ladung (q oder Q) eines Objekts gibt dir ein Maß dafür, wie stark dieses Objekt mit elektromagnetischen Feldern wechselwirken kann. Ihre Einheit ist das Coulomb (C) oder die Amperesekunde (As).

Konkret bedeutet das, wenn die elektrische Ladung eines Objekts (z. B. deine Tasche) Null beträgt, dann reagiert es in keiner Weise mit irgendwelchen elektrischen oder magnetischen Feldern. Ein Elektron hingegen, das eine elektrische Ladung von exakt -1 besitzt, würde beispielsweise durch ein elektrische Feld abgelenkt werden.

Auf ähnliche Weise gibt dir die Massenladung Auskunft darüber, wie stark ein Objekt mit einem Gravitationsfeld wechselwirken würde: Höhere Massenladung („mehr Masse“) bedeutet eine stärkere Wechselwirkung („stärkere Anziehung“). Elektrische Ladung und Massenladung verhalten sich also in vielen Aspekten ähnlich. Der entscheidende Unterschied ist der, dass elektrische Ladung in zwei „Geschmacksrichtungen“ vorkommt: positiv und negativ.

Elektrische Ladung Einheit

In diesem Abschnitt zeigen wir dir welche Einheiten es für die elektrische Ladung gibt. 

Lass uns zur besseren Übersicht die elektrische Ladung mit q bezeichnen. Wenn wir von der „Einheit der elektrischen Ladung“ sprechen, notieren wir das mit [q]. Die eckigen Klammern sollen dich daran erinnern, dass nicht nach der Ladungsmenge gefragt wird, sondern nur nach ihrer Einheit. 

Merke: SI-Einheit der elektrischen Ladung

Die SI-Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb, kurz [q] = \mathsf{C}.

Das Coulomb ist eine abgeleitete SI-Einheit. „Abgeleitet“ in dem Sinne, dass sich das Coulomb aus zwei anderen Einheiten, der Einheit der Stromstärke und der Einheit der Zeit, zusammenbauen lässt. Das sieht folgendermaßen aus

[q] = \mathsf{C} = \mathsf{A} \cdot \mathsf{s} = [I] \cdot [t],

wobei I die Stromstärke und t die Zeit ist. Diese Beziehung folgt aus der Definition der Stromstärke als Ladungsmenge pro Zeit. Aus diesem Grund findest du für das Coulomb auch die Bezeichnung Amperesekunde.

% Hier Abbildung 5 aus dem Videoskript einfügen.

Elektrische Ladung Formel

In diesem Abschnitt zeigen wir dir zwei wichtige Formeln, mit denen du die elektrische Ladung berechnen kannst.

Elementarladung

Nehmen wir an, du führst das folgende Experiment durch: Auf einem langen Tisch liegen 1000 elektrisch geladene Objekte. Für jeden dieser Objekte misst du seine elektrische Ladung. Wenn du dir diese Zahlenwerte notierst und sie untersuchst, wirst du verblüfft sein: Die Werte ergeben sich immer als ein ganzzahliges Vielfaches einer ganz bestimmten Zahl. Und diese Zahl heißt Elementarladung%verlinken. Wenn wir die Elementarladung mit e bezeichnen, dann bedeutet deine Entdeckung, dass folgender Zusammenhang gilt

Q = k \cdot e.

Hier ist Q die elektrische Ladung deiner Objekte und k ist eine ganze Zahl. Für das Elektron ist zum Beispiel k = -1 und für das Proton ist k = +1

Hinweis: Lass dich nicht dadurch irritieren, dass wir hier die elektrische Ladung mit groß Q und im vorherigen Abschnitt mit klein q bezeichnet haben. Das große Q wird sehr häufig für „zusammengesetzte Objekte“, wie zum Beispiel deine Tasche, verwendet. Das kleine q hingegen, wenn von einzelnen Ladungsträgern gesprochen wird, wie etwa zwei Elektronen oder vier Protonen.

Stromstärke

Im Abschnitt zur Einheit haben wir dir bereits einen Hinweis gegeben, wie die Stromstärke mit der elektrischen Ladung zusammenhängt. Die Definition der Stromstärke als Ladungsmenge pro Zeit führt auf die Beziehung

I = \frac{q}{t}

oder umgeformt auf q

q = I \cdot t.

Hinweis: Hier haben wir die Begriffe „Ladungsmenge“ und „elektrische Ladung“ gleichgesetzt.

Elektrische Ladung berechnen

In diesem Abschnitt schauen wir uns zwei Beispiel an, bei denen wir die Ladungsmenge berechnen.

Beispiel: Aus Elementarladung

Nehmen wir an, dass du ein Objekt vor dir liegen hast, das aus sechs Protonen und elf Elektronen besteht. Welchen Wert besitzt seine Ladung? Seine Gesamtladung Q können wir berechnen als Summe der Ladungsmenge von sechs Protonen und der Ladungsmenge von elf Elektronen. Wir erhalten

Q = q_p + q_e = 6 \cdot e + (-11) \cdot e = (6 - 11) \cdot e = -5 \cdot e.

Die Gesamtladung beträgt also -5 mal die Elementarladung. 

Beispiel: Aus Stromstärke

Du hast einen elektrischen Leiter, durch den ein elektrischer Strom mit der Stromstärke I = 2 \ \mathsf{A} fließt. Angenommen am Ende des elektrischen Leiters sammelst du die Ladungsträger für vier Sekunden in einem geeigneten Behälter ein. Wie groß wird die gesammelte Ladungsmenge sein? Wir wissen, dass die Stromstärke als Ladungsmenge pro Zeit definiert ist. Wenn wir daher die Stromstärke mit der Zeit multiplizieren, erhalten wir die Ladungsmenge

q = I \cdot t = 2 \ \mathsf{A} \cdot 4 \ \mathsf{s} = 8 \ \mathsf{As} = 8 \ \mathsf{C}.

Du hast also in deinem Behälter eine Ladungsmenge von 8 \ \mathsf{C} gesammelt.

Hinweis: Elektrische Ladung als „Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel“

Das Proton ist um einen Faktor von etwa 1800 schwerer als das Elektron. Das bedeutet, wenn es zwischen zwei Objekten zu einem „Ladungsaustausch“ kommt, dann bewegen sich nur die Elektronen. Daher findest du auch die Bezeichnung „Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel“ als Definition für die elektrische Ladung. Das macht aber nur in diesem Zusammenhang Sinn. Für ein einzelnes Elektron beispielsweise, das die Ladungsmenge -e besitzt, macht diese Definition keinen Sinn mehr. 

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