Erzeugung einer Ladung
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Grundlagen zum Thema Erzeugung einer Ladung
Elektrische Ladung – Entstehung
Im folgenden Text wird die elektrische Ladung auf einfache Weise erklärt. Dabei wird häufig von der Erzeugung einer elektrischen Ladung gesprochen, doch streng genommen werden elektrische Ladungen nicht erzeugt, sie befinden sich bereits überall. Jedoch sind Ladungen nach außen hin meist nicht spürbar. Es ist bei der Erzeugung von elektrischer Ladung also immer die Erzeugung elektrisch spürbarer Ladung gemeint.
Wie lautet die Definition der elektrischen Ladung?
Die elektrische Ladung gibt die Größe des Elektronenmangels oder Elektronenüberschusses eines Körpers an. Das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist $q$ oder $Q$. Die elektrische Ladung wird in der Einheit Coulomb $\left(\pu{C}\right)$ angegeben.
Wie entsteht elektrische Ladung?
Um zu verstehen, was elektrische Ladung ist, müssen wir uns noch einmal in Erinnerung rufen, was Atome sind. Alles besteht aus Atomen. In ihnen befinden sich elektrisch geladene Teilchen. Der Kern der Atome ist positiv geladen, wohingegen die Hülle um den Kern herum negativ geladen ist. Im Kern sitzen Neutronen und positiv geladene Protonen fest beieinander. Um den Kern herum befinden sich negativ geladene Teilchen, die Elektronen. Elektronen können sich in der Hülle deutlich freier bewegen als die Neutronen und Protonen im Kern. Die Elektronen können sich zwischen verschiedenen Atomen hin- und herbewegen. Sie versuchen jedoch, die positive Ladung der Atomkerne gleichmäßig auszugleichen. Somit ist von außen häufig keine Ladung spürbar. Erst durch eine Ladungstrennung wird eine spürbare elektrische Ladung erzeugt.
Was ist Ladungstrennung?
Werden die Elektronen von den Atomkernen getrennt und sammeln sich an einer Stelle an, so wird eine spürbare elektrische Ladung erzeugt. Dieser Vorgang wird Ladungstrennung genannt.
Wie kann ein Körper elektrisch geladen werden?
Erzeugen einer elektrischen Ladung durch Reibung
Bei Stoffen wie Gummi, Plastik und Wolle funktioniert die Ladungstrennung einfach durch Reibung. Betrachten wir die Trennung von elektrischer Ladung am Beispiel eines Luftballons:
Reibt man einen Luftballon über die Haare einer Person, so werden die Elektronen in den Haaren in Bewegung versetzt und auf den Luftballon abgestreift. In den Haaren herrscht nun ein Elektronenmangel. Im Luftballon hingegen herrscht ein Elektronenüberschuss. Die Haare sind nun also positiv geladen, wohingegen der Luftballon negativ geladen ist.
- Elektronenmangel: positiv geladen
- Elektronenüberschuss: negativ geladen
Da die Elektronen gewandert sind und sich dadurch die Ladungen der beiden Körper verändert haben, nennt man sie auch Ladungsträger. Unter dem Begriff Ladungsträger versteht man in der Physik elektrisch geladene Teilchen, die die elektrische Ladung transportieren – wie zum Beispiel Elektronen.
Für elektrisch geladene Körper gilt:
- Positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig an, da die Elektronen die Ladungstrennung schnell ausgleichen möchten.
- Gleiche Ladungen stoßen sich ab.
Diese gegenseitige Anziehung sorgt dafür, dass die Haare nun am Luftballon kleben. Doch auch dann, wenn der Luftballon entfernt wird, stehen die Haare weiterhin vom Kopf ab. Das liegt daran, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Die einzelnen Haare stoßen sich also voneinander ab, da sie alle positiv geladen sind.
Erzeugen einer elektrischen Ladung durch bereits elektrisch geladene Körper
Bereits geladene Körper können in anderen Körpern auch ohne Reibung eine Ladungstrennung hervorrufen. Dieser Prozess wird Influenz genannt. Bringt man einen geladenen Körper in die Nähe eines anderen Körpers, so wird durch die Abstoßung gleicher Ladungen eine Ladungstrennung erzeugt. So entsteht im Körper eine positive Seite mit Elektronenmangel und eine negative Seite mit Elektronenüberschuss.
Beispiel:
Mit dem negativ geladenen Luftballon können nun kleine Papierschnipsel angezogen werden. Bringt man den Luftballon in die Nähe der Papierschnipsel, so sorgt die Influenz dafür, dass sich in den Papierschnipseln positiv und negativ geladene Seiten ausbilden. Die positiv geladenen Seiten werden von dem negativ geladenen Luftballon angezogen. Bei der Berührung mit dem Luftballon entladen sich die Papierschnipsel und fallen kurz darauf wieder herunter.
Bei der Entladung kommt es dazu, dass der Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss wieder ausgeglichen wird. Somit fließen die Elektronen entweder ab oder sie fließen zurück in den Körper. Wird ein Körper an der Erdoberfläche entladen, so nennen wir diesen Prozess Erden. Das funktioniert, da die Erde einen riesigen Vorrat an leicht beweglichen Elektronen besitzt. Ein kleiner Ladungsunterschied kann also unmittelbar ausgeglichen werden. Dieser Unterschied ist für die Erde unmessbar klein, weshalb sie als elektrisch neutral betrachtet werden kann.
Erzeugung einer elektrischen Ladung – Zusammenfassung
Die folgenden Stichpunkte fassen noch einmal die wichtigsten Informationen zur Erzeugung der elektrischen Ladung zusammen.
- Die elektrische Ladung gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel eines Körpers ist.
- Elektrische Ladungen ergeben sich aus der Verteilung von Elektronen um die Atomkerne.
- Bei der Ladungstrennung sammeln sich die negativ geladenen Elektronen an einer Stelle an.
- Reibung und Influenz können zu einer Ladungstrennung führen.
- Bei der Entladung werden die Elektronen abgeleitet und Strom fließt.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Erzeugung einer Ladung
Transkript Erzeugung einer Ladung
Ganz schön geladen, das kleine Kerlchen! Wie macht es das mit den Blitzen? Hm, ein Blitz ist eine elektrische Entladung Aber bevor sich etwas entladen kann, sehen wir uns erstmal die „Erzeugung einer Ladung“ an. Eins vorweg: Elektrische Ladungen werden streng genommen gar nicht „erzeugt“, denn sie befinden sich bereits überall. Du hast bestimmt schon gehört, dass alles aus „Atomen“ besteht – und vielleicht auch, dass sich diese Atome aus einem „positiv“ geladenen Kern und einer „negativ“ geladenen Hülle zusammensetzen. In den Atomkernen sitzen „Neutronen“ und positiv geladene „Protonen“ fest beieinander. Die negativ geladenen „Elektronen“, die in der Hülle um den Kern herumschwirren, können sich dagegen deutlich freier bewegen. Sie können sogar zwischen verschiedenen Atomen hin- und herwechseln. Im Normalfall verteilen sie sich allerdings so, dass sie die positiven Ladungen der Atomkerne gleichmäßig ausgleichen, so dass von außen keine Ladung spürbar ist. Eine spürbare elektrische Ladung wird dann hervorgerufen, wenn die Elektronen von den Atomkernen getrennt werden und sich an einer Stelle sammeln. Das nennen wir „Ladungstrennung“. Und wie schafft man das? Eine einfache Möglichkeit, die mit Stoffen wie Gummi, Plastik, oder auch Wolle gut funktioniert, ist „Reibung“. Wenn du zum Beispiel einen Luftballon an deinen Haaren reibst, werden die Elektronen in deinen Haaren in Bewegung versetzt und auf den Luftballon abgestreift. Es herrscht jetzt ein „Elektronenmangel“ in deinen Haaren, und ein „Elektronenüberschuss“ auf dem Luftballon. Das tut nicht weh, aber es führt dazu, dass deine Haare jetzt „positiv“ geladen sind, weil viele Elektronen, also negative Ladungen, fehlen. Diese sitzen auf dem Luftballon, weshalb dieser nun „negativ“ geladen ist. Positive und negative Ladungen ziehen sich allerdings gegenseitig an, da sie die Ladungstrennung schnell wieder ausgleichen möchten. Deshalb kleben deine Haare am Luftballon. Nimmst du den Luftballon weg, stehen deine Haare aber immer noch zu Berge! Das liegt daran, dass „gleichnamige“ Ladungen sich abstoßen. Die einzelnen, positiv geladenen Haare wollen also so weit wie möglich voneinander entfernt stehen, was ziemlich lustig aussehen kann. Aber woher wissen wir, dass die Elektronen von den Haaren zum Luftballon gewandert sind und nicht umgekehrt? Das finden wir heraus, wenn wir den Luftballon entladen. Dazu nutzen wir eine Glimmlampe, die wir mit einer Metallplatte verbinden. Sobald der geladene Luftballon die Metallplatte berührt, leuchtet die Glimmlampe auf. Was ist passiert? Die überschüssigen Elektronen sind auf die Metallplatte übergegangen. Da Metall die Elektronen sehr gut weiterleitet, gelangen diese schnell zur Lampe – für kurze Zeit fließt ein Strom, und die linke Seite der Lampe leuchtet auf. Bei einem positiv geladenen Luftballon fließt ebenfalls ein Strom. Dann gehen nämlich Elektronen über das Metall auf den Luftballon über, um dessen Ladung auszugleichen. In dem Fall leuchtet allerdings die rechte Seite der Glimmlampe auf, da der Strom in die andere Richtung fließt. Hat man erstmal einen „geladenen Körper“, kann man damit auch in anderen Dingen Ladungen hervorrufen, ohne daran reiben zu müssen. Dieses Phänomen nennt man „Influenz“. Wenn du deinen geladenen Luftballon nur in die Nähe eines anderen Körpers bringst, werden durch die Abstoßung gleichnamiger Ladungen die Elektronen in dem Körper nach hinten gedrängt. Durch diese Ladungstrennung entstehen im Körper eine „positive“ und eine „negative“ Seite. So kannst du zum Beispiel mit dem geladenen Luftballon kleine Papierschnipsel anziehen. Durch die „Influenz“ bilden sich in den Schnipseln positiv geladene Seiten, die von den negativen Ladungen auf dem Luftballon angezogen werden. Probier' das doch selbst mal aus! Nutze dafür am besten die kleinen Papierreste, die sich in einem Locher sammeln. Und vergiss nicht, deinen Ballon vorher gut aufzuladen! Sobald die Schnipsel den Luftballon berühren, entladen sie sich und fallen deshalb bald wieder herunter. Blitze wirst du dabei keine sehen – die gibt es nur, wenn eine starke Entladung durch die Luft stattfindet. Dazu muss aber erst einiges an Ladung zusammenkommen. Wiederholen wir erstmal, was hier alles „zusammengekommen“ ist: Elektrische Ladungen werden nicht aus dem Nichts erzeugt, sondern ergeben sich aus der Verteilung der Elektronen um die Atomkerne. Bei der Ladungstrennung werden die „negativ“ geladenen Elektronen angesammelt und lassen die „positiv“ geladenen Atomkerne zurück. Das kann durch Reibung geschehen, oder durch Influenz ganz ohne Berührung erreicht werden. Bei der Entladung werden die Elektronen „abgeleitet“ – es fließt Strom. Nur eine starke Entladung durch die Luft erzeugt einen Blitz. Und das nutzen wir, um neues Leben zu erschaffen! Denn das ist Physik.
Erzeugung einer Ladung Übung
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Bestimme, welche Aussage das Verhalten des Ballons beschreibt, wenn der Ballon an den Haaren gerieben wird.
TippsAchte darauf, welche Antwort die am besten passende beschreibt, wenn der Ballon an den Haaren gerieben wird.
Überlege, wie elektrische Ladungen in Bezug auf den Ballon und die Haare interagieren könnten.
Die richtige Aussage beschreibt alltägliche Erfahrungen und physikalische Prinzipien, die dir realistisch und plausibel erscheinen.
LösungWird ein Ballon leicht an den Haaren gerieben, richten sich die Haare auf und bleiben an dem Ballon kleben: Durch die Reibung werden die Elektronen in den Haaren in Bewegung versetzt und auf den Luftballon abgestreift. Es herrscht jetzt ein Elektronenmangel in den Haaren und ein Elektronenüberschuss auf dem Luftballon. Die Haare sind positiv und der Ballon negativ geladen. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, bleiben die Haare an dem Ballon kleben. Den Vorgang nennt man auch elektrostatische Aufladung.
Die Reibung vom Ballon an den Haaren hat keinen Einfluss auf die Farbänderung oder Längenänderung. Der Ballon könnte platzen, wenn man zu stark reibt, was aber eher unwahrscheinlich ist. Daher ist hier nur eine Aussage richtig.- Die Haare ändern ihre Farbe.
- Die Haare werden länger.
- Der Ballon platzt.
- Die Haare richten sich auf und kleben an dem Ballon.
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Beschreibe den Vorgang, der bei der Reibung des Luftballons an den Haaren passiert.
TippsDenke daran, wie sich Ladungen zwischen Ballon und Haaren verändern: Wenn Elektronen von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden, dann entsteht eine Ladungstrennung.
Achte auf das Verhalten zwischen gleichen und unterschiedlich geladenen Körpern.
Überlege, wie die Prinzipien der Ladungsübertragung und Ladungsverteilung erklären können, warum bestimmte Phänomene auftreten.
LösungReibt man einen Luftballon über die Haare einer Person, übertragen sich Elektronen von den Haaren auf den Ballon, was einen Elektronenmangel in den Haaren und einen Elektronenüberschuss im Ballon verursacht. Der Elektronenmangel führt zu einer positiven Ladung, während ein Elektronenüberschuss eine negative Ladung erzeugt. Elektrisch ungleich geladene Körper ziehen sich an, während sich Körper mit gleichen Ladungen abstoßen. Das erklärt, warum Haare am Ballon kleben, aber sich voneinander abstoßen, wenn der Ballon entfernt wird.
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Beschreibe, warum ein Ballon an einer Wand haften bleibt, nachdem er an den Haaren gerieben wurde.
TippsDiesen Vorgang nennt man auch Influenz.
Wenn der geladene Ballon in die Nähe einer nicht leitenden Oberfläche, zum Beispiel einer Wand, gebracht wird, dann beeinflusst er die Verteilung der Ladungen des anderen Körpers.
Die positiven Ladungen in der Wand üben eine Anziehung auf die negativ geladenen Bereiche des Ballons aus.
Lösung1.$~$Bei der Reibung wird der Luftballon negativ aufgeladen.
Wenn ein Ballon an einem Material gerieben wird, dann werden Elektronen von einem Material auf das andere übertragen. Das Ergebnis ist, dass der Ballon elektrisch negativ geladen wird.2.$~$Berührt der Luftballon die Wand, werden die Ladungen in der Wand verschoben.
Wird der geladene Ballon danach an eine Wand oder eine andere Oberfläche aus einem nicht leitenden Material (Isolator) gebracht, beeinflusst er die Ladungsverteilung in der Wand: Die Elektronen in der Wand werden in den Bereich der Wand verschoben, der dem Ballon am nächsten ist. Das führt dazu, dass der Teil der Wand, der dem Ballon gegenüberliegt, positiv geladen wird, während der Bereich, der weiter entfernt ist, negativ geladen wird.3.$~$Die unterschiedliche Ladung des Luftballons und der Wand führt zu einer Anziehung.
Aufgrund dieser Ladungsverteilung entstehen elektrostatische Anziehungskräfte zwischen dem positiv geladenen Bereich der Wand und dem negativ geladenen Bereich des Ballons.4.$~$Der Luftballon bleibt an der Oberfläche der Wand kleben.
Diese Anziehung ist stark genug, um den Ballon an der Wand zu halten und ihn „kleben“ zu lassen. -
Erläutere, wie ein Blitz am Himmel entsteht.
TippsBlitze entstehen durch die Entladung von aufgebauter Spannung zwischen Wolken oder zwischen Wolken und der Erde, wobei ein Strom von Elektronen einen sichtbaren Lichtblitz erzeugt.
Durch Reibung kommt es zu einer Aufladung.
Denke an das Phänomen der Ladungstrennung.
LösungBei einem Gewitter entstehen Blitze, wenn sich Wolken aneinanderreiben. Elektronen werden übertragen, was zu einer Trennung der Ladungen führt und unterschiedlich geladene Regionen in der Wolke verursacht. Diese Ladungstrennung erzeugt eine Spannung zwischen den Wolken und der Erde. Ist die Spannung groß genug, erfolgt eine Entladung in Form eines Blitzes. Dieser Blitz ist ein Strom von Elektronen zwischen Wolke und Erde, der die Luft extrem erhitzt und Licht ausstrahlt.
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Erkläre die Auswirkungen, wenn ein geladener Luftballon in die Nähe eines ungeladenen Körpers bewegt wird.
TippsDer Ballon berührt den Körper nicht und wird lediglich in seine Nähe gebracht!
Negative Ladungen können sich innerhalb eines Körpers bewegen.
Gleiche Ladungen stoßen sich ab.
Die Ladungsverschiebung innerhalb eines Körpers wird auch Influenz genannt.
LösungInfluenz ist ein Vorgang der Ladungstrennung auf einem Körper, bei dem sich unter dem Einfluss geladener Körper in der Nähe die Ladungsverteilung auf dem Körper ändert: Wenn ein geladener Luftballon in die Nähe eines ungeladenen Körpers gebracht wird, dann beeinflusst der Ballon die Verteilung der Ladungen im Körper.
In einem Körper können sich die negativen Ladungen frei bewegen: Bewegt sich der geladene Luftballon auf den ungeladenen Körper, stoßen sich die Elektronen im Luftballon von den Elektronen im Inneren des Körpers ab. Daher bewegen sich die Elektronen nach rechts. Rechts herrscht somit ein Elektronenüberschuss – diese Seite ist negativ geladen. Links herrscht ein Elektronenmangel – diese Seite ist dementsprechend positiv geladen.- Der geladene Ballon verliert seine Ladung auf den Körper, wodurch der Körper geladen wird.
- Der geladene Ballon wird eine entgegengesetzte Ladung entwickeln und sich vom Körper abstoßen.
- Der geladene Ballon wird leuchten und eine elektromagnetische Strahlung aussenden.
- Die Elektronen werden in dem Körper nach hinten verschoben.
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Stelle die Funktionsweise des Elektroskops dar.
TippsÜberlege, was nach einer Ladungsübertragung passiert.
Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel bedeutet negativ geladen bzw. positiv geladen.
Gleich geladene Objekte stoßen sich voneinander ab.
LösungEin Elektroskop ist ein Instrument zur Detektion elektrischer Ladungen. Es besteht aus einem Trägerstab aus Metall, der an der Spitze einen dünnen Metallteller trägt. In dem Gehäuse des Elektroskops hängt der Trägerstab und ist mit einem drehbaren Zeiger verbunden.
Die Funktionsweise beruht auf dem Prinzip der Aufladung: Wenn eine geladene Substanz in die Nähe des Elektroskops gebracht wird, dann dringen die Elektronen der Ladung in die Metallplatte ein oder verlassen sie – je nachdem, ob die Platte positiv oder negativ geladen ist. Das führt dazu, dass der Trägerstab geladen wird und der bewegliche Zeiger sich von dem Trägerstab abstößt. Dieses Abstoßen des Zeigers zeigt an, dass eine elektrische Ladung vorhanden ist.
1.$~$Ein geladener Gegenstand wird auf den Metallteller des Elektroskops gebracht.
2.$~$Es findet eine Ladungsübertragung statt.
3.$~$In den Zeigern des Elektroskops herrscht entweder ein Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss.
4.$~$Die gleichen Ladungen auf den Zeigern führen zu einer Abstoßung.
5.$~$Der drehbare Zeiger schlägt aus.
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Cool
Ich würde diesen Wuschel elecktro nennen wuschel kopf🤩🥳😂😂😂😂😂😂😂😂😅😅😅😅😅😅😅😅😅🥲🥲🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣🤣😱😱😱😱😱😰😰😰😨😨😨😰😥😥😥😓😓😓😓😓🤬🤯🤯🤯😱😱😱😶🌫️🥶🥶🥶🥵🥵😳😳😫😫😩🥺😢😢😭😭😆😆😆😁😁😄😄😃😃😀😀🥹🥹🥹🥹🏟️
Hallo Annfrapla, vielen Dank für Ihren Kommentar. In der Tat wird der Begriff "Influenz" bevorzugt in Zusammenhang mit Leitern verwendet, aber das heißt nicht, dass es bei Nichtleitern keine Influenz gibt. Ich verstehe die Begrifflichkeiten so, dass die Influenz bei Nichtleitern eine Polarisation bewirkt. Die Ladungen bewegen sich in diesem Sinne sehr wohl – nicht "frei", aber "innerhalb der Atomhüllen". So wird es auch in Ihrer zweiten Quelle (und in mehreren anderen) beschrieben.
Cool
"Unter Influenz, auch als Influenzwirkung oder elektrische Influenz bezeichnet, versteht man die Ladungstrennung innerhalb eines ungeladenen Leiters unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes." (aus https://www.chemie.de/lexikon/Influenz.html)
Papier ist kein Leiter.
Wie sollen sich IN einem Nichtleiter Ladungen bewegen, wo sie doch gar keine freien Ladungen haben.
In einem Nichtleiter kommt es zur dielektrischen Polarisation. (siehe https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/grundwissen/influenz-und-polarisation)