Ladung

• Ladung


  Eine Eigenschaft von vielen Elementarteilchen, die zusätzlich zu ihrer „Eigenschaft der Masse" beobachtet wird
• Ladung ist immer mit Masse verknüpft – es gibt keine masselosen Elementarteilchen, die eine Ladung besitzen
• Masse


  Ursprung der Gravitationswechselwirkung
• Ladung


  Ursprung einer elektromagnetischen Wechselwirkung
• Masse hat gleichzeitig die Eigenschaft einer Trägheit, Ladung besitzt keine Trägheit
• Die Elementarteilchen sind träge aufgrund ihrer Masse
• Ladung


  Es gibt zwei entgegengesetzte Sorten: positive und negative
• Ladung


  Sie ist „gequantelt", d.h. sie tritt bei freien Teilchen nur in ganzzahligen Vielfachen von einer Elementarladung auf
• Einheit der Ladung


  Coulomb (C)
• Elementarladung


  e = 1.602 176 634 x 10-19 C
• Ab dem 20. Mai 2019 ist die Elementarladung definiert und damit exakt
• Elementarteilchen mit Ladung in Atomen und Molekülen


  • Elektronen (Ladung Qe = -e)
  • Protonen (Qp = +e)
• Es ist experimentell nachgewiesen, dass sich der Betrag der Ladung von Elektron und Proton um weniger als 10-20e unterscheidet
• Erhaltungssatz


  Die Gesamtladung in einem abgeschlossenen System bleibt erhalten
• Paare von Ladungen (+e / -e) können erzeugt und vernichtet werden, ebenso wie Paare aus (Materie / Antimaterie)
• Dies geschieht z.B. bei Elektron/Positron Paarerzeugung bei der Energie in Materie / Antimaterie umgewandelt wird
• Kräfte zwischen Ladungen


  Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen ziehen sich an, Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab
• Die Proportionalitätskonstante 1/4πε0 ist im Vergleich zur Gravitationskonstanten γ sehr groß
• Wäre die Ladung der Protonen in den Kugeln nicht durch Elektronen Neutralisiert, wäre die Kraft zwischen beiden Kugeln F = 1.31 1025 N
• Die Coulomb-Kraft (Elektrostatische Kraft) zwischen Kugeln wird beobachtet, wenn die Zahl von Protonen und Elektronen in den Kugeln unterschiedlich ist und sich damit jeweils eine Nettoladung der Kugel ergibt
• Experiment: Elektroskop, Coulombsche Drehwaage
• Elektrisches Feld


  Die Wechselwirkung (Kraft) zwischen zwei Ladungen kann man sich als Fernwirkung über eine große Entfernung vorstellen
• Elektrisches Feld


  Eine andere Vorstellung verwendet den Begriff des „Feldes". Die eine Ladung erzeugt ein elektrisches Feld und die andere Ladung erfährt in dem Feld eine Kraft
• Die Felder sind etwas Reales, da in ihnen Energie gespeichert ist
• Es gibt Felder, die sich von der erzeugenden Ladung gelöst haben und Energie transportieren (elektromagnetische Wellen)
• Wenn mehrere Ladungen im Raum sind, addieren sich die Beiträge jeder Ladung zur elektrischen Feldstärke vektoriell (Superpositionsprinzip)
• Feldlinien


  • Zwei negative Ladungen
  • Zwei positive Ladungen
  • Eine positive und eine negative Ladung (elektrischer Dipol)
  • Eine positive und zwei negative Ladungen
• Wenn gleich viele positive wie negative Ladungen vorhanden sind beginnen die Feldlinien immer in einer positiven Ladung und enden in einer negativen Ladung
• Wenn die Summe aller Ladungen ungleich Null ist, beginnen oder enden einige Feldlinien im Unendlichen
• Großer Unterschied zur Gravitation: Alle Massen ziehen sich gegenseitig an. Der Fall, dass sich alle Ladungen gegenseitig anziehen existiert nicht (für n>2)
• Dieser kleine Unterschied im Vorzeichen der beiden Gesetze für gravitative und elektrostatische Anziehung ist entscheidend für die grundlegende Struktur des Universums!
• Bei der Gravitation folgt: Je mehr Massen man zu einem „Klumpen" zusammenfügt, umso mehr Energie wird freigesetzt. → Bildung von Sternen, Galaxien und schwarzen Löchern
• Bei der Gravitation wird das sofortige Ineinanderstürzen verhindert, dadurch, dass die Himmelkörper umeinander kreisen
• Bei der elektrostatischen Anziehung existiert nur das Zusammenbringen einer positiven mit einer negativen Ladung
• Die Feldlinien beginnen immer in einer positiven Ladung und enden in einer negativen Ladung
• Bei der Gravitation


  Beginnen alle Feldlinien im Unendlichen
• Alle Massen ziehen sich gegenseitig an
• Der Fall, dass sich alle Ladungen gegenseitig anziehen existiert nicht (für n>2)
• Dieser kleine Unterschied im Vorzeichen der beiden Gesetze für gravitative und elektrostatische Anziehung ist entscheidend für die grundlegende Struktur des Universums
• Gravitation


  1. Je mehr Massen man zu einem „Klumpen" zusammenfügt, umso mehr Energie wird freigesetzt

  2. Das sofortige Ineinanderstürzen wird verhindert, dadurch, dass die Himmelkörper umeinander kreisen