Elektrotechnik Grundlagen
Grundbegriffe der Elektrotechnik
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Was ist eine elektrische Ladung, welche wichtigen Einheiten und Formeln gibt es und wie kannst du sie dir vorstellen? Das erfährst du im Beitrag und im Video .

Was ist elektrische Ladung? 

Die elektrische Ladung bestimmt, wie groß der Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel eines Körpers ist. Sie lässt sich mit dem Formelzeichen groß Q bzw. klein q beschreiben und mit der Einheit Coulomb (C) berechnen.

Dabei unterscheidest du zwei Arten: die positive und die negative elektrische Ladung. Ist ein Objekt positiv geladen, fehlen ihm Elektronen (Mangel). Ist ein Objekt negativ geladen, besitzt es viele Elektronen (Überschuss). Natürlich kann ein Objekt auch neutral geladen sein, dabei gibt es weder einen Überschuss noch einen Mangel an Elektronen.

Elektrische Ladungen kannst du auch ganz einfach im Alltag beobachten. Wenn du zum Beispiel einen Luftballon an deinen Haaren reibst, lädt sich der Ballon negativ auf (Elektronenüberschuss) und dein Haar positiv (Elektronenmangel). Durch den Ladungsunterschied werden deine Haare vom Ballon angezogen.

Elektrische Ladung Definition

Die elektrische Ladung als Eigenschaft von Objekten, ist ein Maß dafür, wie positiv oder negativ ein Objekt geladen ist.

Formelzeichen: Q oder q

Einheit: C (Coulomb) bzw. As (Amperesekunde)

Elektrische Ladung Formel

Die Formel für die elektrische Ladung Q kannst du auf zwei Arten bestimmen: Entweder mittels der Elementarladung e oder mithilfe der Stromstärke I. Mit beiden kannst du die Ladung eines Körpers berechnen.

Elementarladung 

Als Elementarladung bezeichnest du die kleinste elektrische Ladung. Nehmen wir an, auf einem Tisch vor dir liegen mehrere elektrisch geladene Objekte. Für jedes Objekt misst du die jeweilige elektrische Ladung. Wenn du dir diese Zahlenwerte notierst und sie untersuchst, wirst du etwas bemerken: Die Werte ergeben sich immer als ein ganzzahliges Vielfaches einer ganz bestimmten Zahl. Und diese Zahl heißt Elementarladung.

Du kannst also jede elektrische Ladung Q als ein Vielfaches N der Elementarladung e angeben:

    \[Q = N \cdot e\]

Das Elektron mit seiner elektrischen Ladung von -1,6  \cdot \ 10^{-19}\text{C} besitzt genau die Elementarladung -e, das Proton hingegen die Elementarladung +e.

Stromstärke

Zwischen der Ladung und der Stromstärke besteht ebenfalls ein Zusammenhang. Die Definition der Stromstärke I als Ladungsmenge Q pro Zeit t führt auf das folgende Verhältnis:

    \[I = \frac{Q}{t}\]

Umgeformt ergibt sich dann für die elektrische Ladung Q:

    \[Q = I \cdot t\]

Die Ladung ist also das Produkt der Stromstärke und der Zeit, wenn durch einen elektrischen Leiter ein Strom mit konstanter Stärke fließt.

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

Elektrische Ladung Einheit 

Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb, oder kurz C. Sie ist eine abgeleitete SI-Einheit . „Abgeleitet“ in dem Sinne, dass sich das Coulomb aus zwei anderen Einheiten, der Einheit der Stromstärke I (Ampere A) und der Einheit der Zeit t (Sekunden s), zusammenbauen lässt:

    \[[Q] = [I] \cdot [t] \longrightarrow 1 \text{C} = 1 \text{A} \cdot 1 \text{s} = 1 \text{As}\]

Wie du siehst, kannst du ein Coulomb dann auch als eine Amperesekunde bezeichnen. Fließt durch einen elektrischen Leiter eine Sekunde lang ein Strom mit der Stromstärke von einem Ampere, so wird durch den Leiterquerschnitt eine Ladung von einem Coulomb bzw. einer Amperesekunde transportiert.

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Stromfluss durch einen Leiter

Merke: Die elektrische Ladung bezeichnest du allgemein mit Q. Wenn wir aber speziell von der „Einheit“ sprechen, schreibst du das oft auch als [Q]. Die eckigen Klammern sollen dich daran erinnern, dass nicht nach der Ladungsmenge gefragt wird, sondern nur nach ihrer Einheit.

Elektrische Ladung berechnen

Wenn du die elektrische Ladung berechnen möchtest, kannst du einfach die zwei Formeln anwenden. Du verwendest sie, je nachdem, welche Angaben du hast:

  • Formel mit Elementarladung (Q = N • e): Du hast Informationen über die Anzahl der Ladungen.
  • Formel mit Stromstärke (Q = I • t): Du hast Informationen über die elektrische Stromstärke und die Zeit.

Beispiel 1: Elementarladung

Nehmen wir an, dass du ein Objekt vor dir liegen hast, das aus sechs Protonen und elf Elektronen besteht. Welchen Wert besitzt dann seine Ladung?

    \[Q = N \cdot e \longrightarrow Q = 6 \cdot (+e) + 11 \cdot (-e) = (6 - 11) \cdot e = -5 \cdot e\]

Die elektrische Ladung beträgt also minus 5 Mal die Elementarladung.

Beispiel 2: Stromstärke

Nehmen wir an, du hast einen elektrischen Leiter, durch den ein elektrischer Strom mit der Stromstärke I = 2 Ampere fließt. Angenommen, am Ende des elektrischen Leiters sammelst du die Ladungsträger für vier Sekunden in einem geeigneten Behälter ein. Wie groß ist die gesammelte elektrische Ladung?

    \[Q = I \cdot t \longrightarrow Q = 2 \text{A} \cdot 4 \text{s} = 8 \text{As} = 8 \text{C}\]

Du hast also in deinem Behälter eine elektrische Ladung von 8 Coulomb gesammelt.

Ladungstrennung

Elektrische Ladungen können auch durch Reibung getrennt werden. Dabei übertragen sich zunächst Elektronen von einem Körper auf einen anderen. Wenn du die beiden dann trennst, erhältst du zwei elektrisch geladene Körper.

Beim Beispiel mit dem Luftballon kannst du das sehr gut beobachten. Sobald du den Ballon an deinen Haaren reibst, entnimmt der Gummi des Ballons deinen Haaren die Elektronen (negativ geladene Teilchen). Aufgrund des Mangels lädt sich dein Haar positiv auf, während sich der Ballon durch den Elektronenüberschuss negativ auflädt.

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Elektrisch geladener Luftballon

Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, kannst du jetzt erkennen, dass dein Haar von der Oberfläche des Ballons angezogen wird. Aber auch ohne den Luftballon in der Nähe, „stehen dir die Haare zu Berge“. Das liegt daran, dass alle Haare jetzt positiv geladen sind und sich gleichnamige Ladungen eben gegenseitig abstoßen.

Elektrisches Feld

Auch beim elektrischen Feld spielen elektrische Ladungen eine wesentliche Rolle. Es entstehen sogenannte Feldlinien, wobei sich positiv und negativ geladene Teilchen gegenseitig beeinflussen. Welche Kräfte dort wirken und wie du die Ladungen berechnen kannst, erfährst du in diesem Video  dazu. Bis gleich!

Zum Video: elektrisches Feld
Zum Video: elektrisches Feld

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