Physik, 2.Trimester - Elektrik, Folge 1

Elektrische Ladung

In dieser Sendung von Telekolleg-Physik lernen Sie einen neuen Moderator und ein neues Gebiet kennen. Hermann Deger ist Ihr Begleiter bei den Themen der Elektrik. Die Phänomene der Elektrizität haben ihre Ursache im Aufbau der Atome aus positiv geladenen Kernen und den Elektronen in der Atomhülle. Zuerst beschäftigen wir uns mit der elektrischen Ladung. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Überblick über wichtige Themen der Elektrik

Bild aus der Sendung

Heute kann elektrische Energie mithilfe von sogenannten Fotovoltaikanlagen direkt aus Sonnenergie gewonnen werden. Dies ist sehr umweltfreundlich, aber bisher deckt dieser Typ eines Kraftwerks nur einen sehr kleinen Teil des Energiebedarfs ab. Wir nützen Elektrizität wegen ihrer Wärmewirkung zum Kochen und Braten. Andere Anwendungen verwenden Elektromotoren und damit die magnetische Wirkung der Elektrizität. Für die Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie sorgen Generatoren.


Kraftwirkung zwischen Ladungen

Bild aus der Sendung

Zur Entstehung eines Gewitters ist im Studio ein Modellversuch aufgebaut: Mit einem Bandgenerator wird eine Wolke aufgeladen, hinter der eine Metallkugel steckt. Von dort springen Blitze auf ein geerdetes Hausdach über. Das Aufladen und Entladen von Elektrizität beruht auf den Kraftwirkungen zwischen verschiedenen Ladungssorten. Werden zwei Gegenstände gleich aufgeladen, dann stoßen sie sich gegenseitig ab; werden sie entgegengesetzt geladen, dann ziehen sie sich an. Mit diesem Wissen kann die Funktionsweise eines Bandgenerators verstanden werden: Die Ladungen, die sich schon auf der Metallkugel befinden, stoßen sich gegenseitig ab und verteilen sich gleichmäßig in der obersten Metallschicht. Deshalb entsteht viel Platz für weitere Ladungen, die vom Transportband abgestriffen werden.


Elektrizität in den Atomen

Bild aus der Sendung

Wie kann man die Phänomene der Elektrizität verstehen? Die Grundlagen findet man im Aufbau der Atome. Dazu zunächst eine Größenvorstellung. Man betrachte einen Tischtennisball und vergleiche ihn mit der Größe der Erde. Im gleichen Größenverhältnis steht ein Atom zur Größe des Tischtennisballs! Ein Atom hat einen Durchmesser von etwa 10-10 m. Wie ist das Atom aufgebaut und wie groß ist im Verhältnis der Atomkern? Wenn das Atom so groß wäre wie ein Fußballfeld, also einen Durchmesser von 100 m hätte, dann wurde der Atomkern, der fast die gesamte Masse des Atoms beinhaltet, nur so groß sein wie ein Stecknadelkopf! Ein Atomkern ist demnach etwa 10-15 m groß, er ist ein dichter Tropfen aus Protonen und Neutronen. Beide Kernbausteine haben etwa die gleiche Masse, aber nur das Proton ist geladen. Es trägt eine positive Elementarladung e. Damit ein Atom nach außen hin elektrisch neutral sein kann, befinden sich in der Atomhülle genauso viele Elektronen mit der negativen Ladung -e wie Protonen im Kern. Das Metall Beryllium z.B. hat die Kernladungszahl 4, also vier Protonen im Kern und deshalb auch vier Elektronen in der Hülle, wenn es neutral ist. Bei Elektronenüberschuss in der Hülle ist das Atom negativ geladen, bei Elektronenmangel ist es positiv geladen. Man spricht dann von einem negativen bzw. positiven Ion. Alle Elemente des Periodensystems sind Atome; jeweils ist die Kernladungszahl gleich der Periodenzahl. Elemente mit größerer Periodenzahl sind größer, weil sie einen größeren Kern haben und sich in ihrer Hülle mehr Elektronen befinden.


Aufladen und Entladen

Bild aus der Sendung

Mit der Vorstellung von geladenen und neutralen Atomen ist nun verständlich, wie sich Materie aufladen kann. Jede Materie ist aus Atomen aufgebaut, die geladen sein können oder nicht. Weisen die Atome der Materie insgesamt einen Elektronenüberschuss auf, dann ist die Materie negativ geladen. Wenn insgesamt ein Elektronenmangel vorliegt, dann ist das Material positiv geladen. Wird ein Kunststoffstab mit einem Fell gerieben, dann haben die Elektronen in den Kontaktflächen die Wahl zwischen zwei Materialien. Kleinste Vorteile bewirken, dass beim Reiben eines Kunststoffstabs an einem Fell viele Elektronen auf den Stab wechseln und das Fell positiv geladen zurücklassen. Beim Laden eines Ballons mit einer metallischen Oberfläche kommt noch ein anderer Effekt dazu. Die abgestriffenen Elektronen können sich über die gesamte Oberfläche verteilen. Dies tun sie, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Analog funktioniert das positive Aufladen eines solchen Ballons. Diesmal springen Elektronen vom Ballon auf den positiv geladenen Stab und hinterlassen am Ballon Elektronenmangel, also eine positive Ladung.


Messung von Ladungen

Bild aus der Sendung

Zur Bestimmung der Menge einer Ladung wird ein Elektroskop verwendet. Die Ladungen verteilen sich über den Stab und den Zeiger. Die abstoßenden Kräfte bewirken einen umso größeren Ausschlag, je größer die Ladungsmenge ist. Mit einem Elektroskop kann man keinen Zahlenwert und kein Vorzeichen für die Ladung bestimmen. Für die Ladung wird der Formelbuchstabe Q verwendet - groß oder klein geschrieben ist egal. Die Einheit 1 Coulomb entspricht einer riesigen Anzahl von Elementarladungen. In der Natur finden Sie Beispiele für sehr große und sehr kleine Ladungsmengen. Bei einem Blitz z.B. fließen etliche Coulomb in sehr kurzer Zeit; dies ist sehr gefährlich. Bei der Entladung einer Person an einer Türklinke fließen nur winzigste Bruchteile eines Coulomb. Deshalb ist das nur schmerzhaft, aber nicht gefährlich. Heute gibt es Ladungsmessgeräte, die eine Anzeige in Coulomb beinhalten. Diese Elektrometer erlauben die Überprüfung, dass sich beim Laden mittels Reibungselektrizität beide Materialien gegengleich laden. Taucht man z.B. eine mit Wachs überzogene Kugel in destilliertes Wasser, dann zieht das Wachs Elektronen aus dem Wasser an. Diesen Effekt nennt man Kontaktelektrizität. Die Reibungselektrizität ist auch nichts anderes; hier wird der enge Kontakt einfach durch Reiben hergestellt. Zum Abschluss der Sendung wird an die Faszination erinnert, die Elektrizitätsexperimente an den Fürstenhöfen des 18. Jahrhunderts auslösten. Damals war es üblich, dass Physiker ihre Experimente zur Erbauung des Publikums präsentierten - so wie heute bei Telekolleg-Physik.


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