Methoden der Elektrifizierung durch Kontakt, Reibung und Induktion
In dieser Vorlesung werden die drei Methoden der Elektrifizierung behandelt: Kontakt, Reibung und Induktion. Die atomare Struktur der Materie wird eingeführt, wobei zwischen Leitern und Isolatoren unterschieden wird. Es wird beschrieben, wie Körper durch diese Methoden elektrische Ladung gewinnen oder verlieren, wobei hervorgehoben wird, dass die Induktion keinen direkten Kontakt zwischen den beteiligten Objekten erfordert.
Lernziele:
Am Ende dieser Vorlesung wird der Studierende in der Lage sein:
- Aufzulisten die subatomaren Teilchen sowie ihre jeweiligen Ladungen und Massen.
- Zu erklären, warum bestimmte Materialien beim Reiben elektrische Ladung erhalten.
- Zu beschreiben den Zusammenhang zwischen dem von den Griechen beobachteten Verhalten (aufgeladenes Bernstein) und dem modernen Begriff der Elektrizität.
- Zu unterscheiden zwischen neutralen Atomen, Kationen und Anionen.
- Anzuwenden das Vorzeichengesetz, um das Verhalten zwischen elektrischen Ladungen vorherzusagen.
INHALTSVERZEICHNIS
Leiter und Isolatoren
Elektrifizierung
Ladung durch Kontakt
Ladung durch Reibung
Ladung durch Induktion
Leiter und Isolatoren
Die Atome, die die innere Struktur der Materie bilden, bestehen aus drei Teilchentypen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden und Nukleonen genannt werden, während sich die Elektronen in äußeren Schalen in einer Art „orbitaler Wolken“ befinden. Die Nukleonen werden durch Kernkräfte zusammengehalten und gehen, abgesehen von sehr massereichen Atomen, die durch radioaktive Prozesse zerfallen können, weder leicht verloren noch werden sie leicht gewonnen. Im Gegensatz dazu können die Elektronen der äußeren Schalen, abhängig von der elektronischen Konfiguration des Atoms, mehr oder weniger Bewegungsfreiheit haben.
Auf dieser Grundlage können wir physische Objekte in zwei entgegengesetzte Typen kategorisieren: Leiter und Isolatoren. Während Leiter Materialien sind, die Elektronen leicht aufnehmen und abgeben können, neigen Isolatoren dazu, den Austausch ihrer Elektronen zu verhindern.
Obwohl sowohl Leiter als auch Isolatoren die Fähigkeit haben, Elektronen zu verlieren oder zu gewinnen, liegt der grundlegende Unterschied in der Beweglichkeit der Elektronen, sobald diese von den Atomen des Materials aufgenommen wurden. Zum Beispiel genießen Elektronen in den meisten Metallen eine Bewegungsfreiheit, die die Bildung von „elektrischen Strömen“ ermöglicht. Im Gegensatz dazu ist es bei Materialien wie Gummi, auch wenn sie elektrische Ladung aufnehmen können, schwierig, dass sich die Ladungen von einem Punkt zum anderen durch sie bewegen.
Elektrifizierung
Die Elektrifizierung bezieht sich auf das Phänomen des Gewinnens oder Verlustes elektrischer Ladung. Im Folgenden werden die Prozesse beschrieben, durch die dieses Phänomen auftritt.
Ladung durch Kontakt
Die Ladung durch Kontakt bedeutet, einen Körper zu elektrifizieren, indem man ihn mit einem anderen Körper in Kontakt bringt, der bereits elektrifiziert ist. Dabei werden die Elektronen zwischen beiden Körpern umverteilt, bis ein Gleichgewicht ihrer Ladungen erreicht ist. Damit dieser Prozess stattfinden kann, ist es wesentlich, dass beide Körper Leiter sind; wenn sie es nicht sind, werden sich die Ladungen nicht frei umverteilen und die Elektrifizierung wird nicht erfolgen.
Im Folgenden wird eine Tabelle präsentiert, die die Schlüsselaspekte der Ladung durch Kontakt zusammenfasst.
| Anfangszustand der Ladungen | Kontaktprozess | Endzustand der Ladungen | Beobachtung | ||
| (+) | Neutro | \left. \right> | (+) | (+) | Die positive Ladung verteilt sich auf beide Körper |
| (+) | (-) | \left. \right> | (+) | (+) | Die Ladungen heben sich gegenseitig auf, die dominante Ladung bleibt bestehen |
| (+) | (-) | \left. \right> | Neutro | Neutro | Gleiche und entgegengesetzte Ladungen heben sich auf |
| (-) | (+) | \left. \right> | (-) | (-) | Die Ladungen heben sich gegenseitig auf, die dominante Ladung bleibt bestehen |
| (-) | Neutro | \left. \right> | (-) | (-) | Die negative Ladung verteilt sich auf beide Körper |
Ladung durch Reibung
Wenn ein Körper an einem anderen gerieben wird, entsteht eine leichte Temperaturerhöhung. Dies liegt daran, dass während der Reibung Energie zwischen den Körpern übertragen wird. Ein Teil dieser Energie kann die Elektronen von einem Objekt auf ein anderes verschieben. Wenn dies geschieht, sagen wir, dass die Körper durch Reibung Ladung erhalten haben. Im Gegensatz zur Ladung durch Kontakt haben bei der Ladung durch Reibung zwei neutrale Körper am Ende Ladungen gleicher Größe, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Im Folgenden wird eine Tabelle präsentiert, die die wichtigsten Aspekte der Ladung durch Reibung zusammenfasst.
| Anfangszustand der Ladungen | Reibungsprozess | Endzustand der Ladungen | Beobachtung | ||
| Neutro | Neutro | \left. \right> | (+) | (-) | Ein Körper gibt dem anderen seine Elektronen ab, sodass einer positiv und der andere negativ geladen bleibt |
Ladung durch Induktion
Unter den Methoden der Elektrifizierung, die wir analysiert haben, zeichnet sich die Ladung durch Induktion dadurch aus, dass sie als einzige keinen direkten Kontakt zwischen den beteiligten Objekten benötigt. Bei dieser Methode wird die Wirkung genutzt, die das elektrische Feld eines geladenen Objekts auf die Elektronen eines neutralen Körpers hat. Um diesen Mechanismus zu verstehen, ist es wesentlich zu wissen, dass Elektronen, die eine negative Ladung besitzen, in Gegenwart eines anderen geladenen Objekts angezogen oder abgestoßen werden können. Außerdem ist es entscheidend zu verstehen, dass die Erdung je nach Fall als Quelle oder Reservoir von Elektronen wirkt.
Induktion von neutral zu negativ
Induktion von neutral zu positiv
