Eigenschaften der elektrischen Ladung und der atomaren Struktur
In dieser Vorlesung werden wir das Konzept und den Ursprung der elektrischen Ladung als grundlegende Ursache elektrischer Phänomene untersuchen. Wir beginnen mit einer historischen Analyse, bei der die Griechen elektrische Eigenschaften beobachteten, wenn sie Bernstein mit Wolle rieben, was zum Gesetz der Vorzeichen führte, um elektrische Anziehung und Abstoßung zu modellieren. Auf mikroskopischer Ebene werden die subatomaren Teilchen und die Tatsache, dass die elektrische Ladung der Struktur der Materie inhärent ist, erforscht, mit besonderem Schwerpunkt auf der Zusammensetzung der Atome und wie sie die elektrischen Eigenschaften der Materie bestimmen. Schließlich wird betont, dass, obwohl ein Atom neutral sein kann, es aufgrund atomarer und molekularer Wechselwirkungen und des Elektronentransfers weiterhin an elektrischen Phänomenen beteiligt ist.
Lernziele:
Nach Abschluss dieser Lehrveranstaltung wird der Studierende in der Lage sein:
- Auflisten der subatomaren Teilchen und ihrer jeweiligen Ladungen und Massen.
- Erklären, warum bestimmte Materialien durch Reibung elektrische Ladung erhalten.
- Beschreiben der Beziehung zwischen dem von den Griechen beobachteten Verhalten (geladener Bernstein) und der modernen Auffassung von Elektrizität.
- Unterscheiden zwischen neutralen Atomen, Kationen und Anionen.
- Wenn zwei Materialien A und B, die anfänglich neutral (ladungsfrei) sind, gegeneinander gerieben werden, können sie eine elektrische Ladung erwerben. Solche von A und B erworbenen Ladungen haben den gleichen Betrag.
- Wenn nach der oben beschriebenen Aufladung die Körper A und B miteinander in Kontakt gebracht werden, heben sich die Ladungen gegenseitig auf.
- Positiv × Positiv = Positiv → ABSTOSSUNG
- Positiv × Negativ = Negativ → ANZIEHUNG
- Negativ × Positiv = Negativ → ANZIEHUNG
- Negativ × Negativ = Positiv → ABSTOSSUNG
INHALTSVERZEICHNIS
Was ist elektrische Ladung?
Elektrische Phänomene in der Antike
Gesetz der Vorzeichen
Elektrische Ladung und Struktur der Materie
Elektrische Eigenschaften der Materie
Was ist elektrische Ladung?
Um elektrische Phänomene zu verstehen, ist es wesentlich, ihre zugrunde liegende Ursache zu betrachten. Ebenso wie die Masse für die Gravitation verantwortlich ist, verursacht die elektrische Ladung die elektrischen Phänomene.
Beim Beginn unseres Studiums des Elektromagnetismus ist es schwierig, genau zu definieren, was elektrische Ladung ist. Dieses Verständnis erfordert fortgeschrittenere Analysen als diejenigen, die wir zunächst behandeln werden. Dennoch können wir ihr Verhalten und ihre Eigenschaften untersuchen, um uns mit der Elektrizität vertraut zu machen.
Elektrische Phänomene in der Antike
In der Antike bemerkten die Griechen, dass Bernstein, wenn er mit Wolle gerieben wurde, bestimmte Objekte anziehen konnte. Diesen Effekt beschreiben wir damit, dass der Bernstein „geladen“ sei oder „elektrische Ladung erworben“ habe. Tatsächlich stammt das Wort „Elektrizität“ vom griechischen „ήλεκτρον (élektron)“, das „Bernstein“ bedeutet. Seit der Antike wurde beobachtet, dass „elektrisch geladene“ Körper die folgenden Eigenschaften und Verhaltensweisen zeigen:
Aus dem oben Beschriebenen folgt, dass die Körper gleich große, aber komplementäre Ladungen annehmen; daher bezeichnen wir solche Ladungen als „positiv“ und „negativ“. Darüber hinaus kann das Verhalten geladener Körper anhand des Gesetzes der Vorzeichen modelliert werden:
Gesetz der Vorzeichen
Geladene Körper zeigen folgendes Verhalten:
Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen ziehen sich an, und Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab.
Elektrische Ladung und Struktur der Materie
Die elektrische Ladung ist, wie die Masse, eine grundlegende Eigenschaft der Teilchen, aus denen die Materie besteht. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb und wird mit dem Buchstaben C bezeichnet. Atome bestehen aus subatomaren Teilchen, die spezifische Ladung und Masse besitzen, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Teilchen | Masse [kg] | Elektrische Ladung [C] |
|---|---|---|
| Proton | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| Neutron | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (neutral) |
| Elektron | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
Gewöhnlich repräsentieren die Symbole p^+, e^- und n_0 das Proton, Elektron und Neutron. Protonen und Neutronen befinden sich im Kern des Atoms, während die Elektronen ihn umkreisen. Mehr als 99,9 % der Masse eines Atoms konzentriert sich in seinem Kern.
Die Anzahl der Protonen im Kern definiert das Element, zu dem ein Atom gehört. Die Anzahl der Neutronen definiert das Isotop dieses Elements, und die Anzahl der Elektronen zeigt seinen Ionisationszustand an. Traditionell gilt ein Atom als neutral; wenn jedoch Elektronen überschüssig sind oder fehlen, wird es als Ion bezeichnet. Ionen können negativ (Anionen) oder positiv (Kationen) sein.
Elektrische Eigenschaften der Materie
Die elektrischen Eigenschaften der Materie hängen von ihrer inneren Struktur und davon ab, wie die Atome oder Moleküle miteinander interagieren. Obwohl ein neutrales Atom keine Ladung zu haben scheint, bedeutet dies nicht, dass es nicht an elektrischen Phänomenen teilnehmen kann. Es ist wichtig zu bedenken, dass die Natur der elektrischen Ladung von der Wechselwirkung zwischen den Atomen und Molekülen abhängt und von ihrer Fähigkeit, Elektronen zu übertragen oder zu teilen, um Bindungen zu bilden.