Kap. 1.1 Elektrische Ladung

wir beginnen mit dem Kapitel 1 das heißt Grundbegriffe und in diesem Kapitel werden wir uns jetzt also einige Begrifflichkeiten und physikalischen Größen der Elektrotechnik näher anschauen damit wir dann eine gemeinsame Sprache sprechen können wir werden also die physikalischen Größen Ladung Stromstärke Spannung und Energie und Leistung zunächst definieren und dann damit arbeiten und ganz am Ende des Kapitels geht es dann darum wie wir auch zeitabhängige Größen besser kennzeichnen können und in diesem Video beginnen wir also mit der Definition der physikalischen Größe elektrische Ladung und wir gehen zunächst in der Geschichte mal gedanklich zweieinhalb tausend Jahre zurück

wir befinden uns jetzt also im antiken Griechenland und dort an einem Strand und beobachten einen Mann der heißt Thales von Miley und dieser Tal ist von Milet war also ein Wissenschaftler seiner Zeit und er entdeckte dass er wenn er eine Bernstein starb an seiner Wollkleidung reibt dass es ihm dann gelingt Hühner Federn damit aufzuheben und dieses Experiment wollen wir jetzt hier mal versuchen nachzustellen ich habe dafür ein kleines vorlesungsmittel für Sie vorbereitet und aus Tierschutzgründen verwenden wir keine Hühner Federn sondern solche kleinen Wattebällchen und aus Kostengründen keinen bernsteinstaub sondern diesen roten Kunststoffstab und wir reiben

diesen Kunststoffstab an unser Wollmütze dabei kommt es zu einem Ladungstransport auf den Stab und diese Ladungen auf dem Stab könnte es dazu dass wir offensichtlich diese Wattebällchen damit aufheben können ja und diese Kraftwirkung zwischen Ladungen die hier zugrunde liegt die schauen wir uns jetzt etwas näher an wir brauchen um diese um diese Erscheinung beschreiben zu können brauchen wir eine physikalische Größe die uns das diese die uns dieses beschreiben erlaubt und diese physikalische Größe ist die elektrische Ladung und das ist eine Grundgröße der Elektrotechnik es gibt noch drei andere Grundgrößen der Elektrotechnik wegen Masse und Zeit

das sind damit auch die Grundgrößen der Mechanik aber die Ladung brauchen wir denn die Ladung modellierte Eigenschaften der Materie die mit den Gesetzen der Mechanik nicht erklärbar sind also mit den Gesetzen der Mechanik können Sie das gerade eben im Experiment beobachtete nicht erklären das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist das große Q und die Maßeinheit das kolumb also die Maßeinheit der Ladung wir schreiben das in diesen eckigen Klammern ist das Ampere Sekunden beziehungsweise das Coulomb abgekürzt mit einem großen Zeh benannt nach Schau auguston the Colomb eine französische französischen Physiker aus dem 18 Jahrhundert der die Kraftwirkung

her rühren von Ladungen sehr systematisch untersucht hatte und diese Kraftwirkung die wir im Experiment gerade beobachtet hatten die schauen wir uns noch mal etwas näher an das heißt wir schreiben mal hin wir beobachten die Beobachtung gibt also offensichtlich eine Kraftwirkung auf Ladungen und dieser schallauge songte Cologne hat die Kraftwirkung systematisch formuliert deswegen ist diese zugrunde liegende Gesetzmäßigkeit nach ihm benannt das ist das coole Gesetz und das schauen wir uns jetzt hier in einfacher Form mal an wir betrachten zwei punktförmige Ladungen das ist die Ladung Q1 und die Ladung Q2 und diese Ladungen befinden sich in

einem Abstand r voneinander und wir betrachten jetzt den Fall dass die beiden Ladungen gleichnamig sind das heißt dass Vorzeichen der beiden Ladungen ist gleich damit ist das Produkt aus Q1 und Q2 entsprechend positiv also größer 0 und dann lässt sich im Experiment eine abstoßende Kraftwirkung beobachten das heißt es gibt offensichtlich eine Kraft auf die Ladung Q2 her rühren von der Ladung Q1 dAS nenne die Menschen die Kraft F und es gibt eine abstoßende Kraft auf die Ladung Q1 herhören von der Ladung Q2 betragsmäßig gleich groß ebenfalls die Kraft F und das coulombische Gesetz besagt nun

dass die Kraft betragsmäßig proportional lassen sich ein kleines bisschen Platz proportional zum Produkt der ladungsmengen ist und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes und diese Proportionalitätskonstante ähnliche Tier klein K das ist die gleiche Form wie beim gravitationsgesetzen beim Gravitationsgesetz hatten wir gesagt die Kraft auf zwei Massen ist proportional zum Produkt der beiden Massen und umgekehrt proportional zum Abstand der beiden Massen voneinander und dann gab es noch eine konstante das war die Gravitationskonstante hier müssen wir die konstante noch einmal beschreiben diese Konstante klein K ist 1 durch 4 PI Ziel 0 im Vakuum in Materie ändert

sich das ganze noch den Fall im Vakuum und diese Größe y0 das ist eine Naturkonstante das ist die elektrische Feld konstante und ich gebe Ihnen mal den Größenwert hier gerundet also y0 ist rund 8,854 mal 10 hoch -12 Ampere Sekunden pro Voltmeter ja und die kleinste bekannte Ladungsmenge ist die Elementarladung mit dem Formelzeichen klein e und das ist die Ladungsmenge von 1,6 02 10 hoch -19 a und die Ladungsmenge eines Elektrons ist die negative Elementarladung und die Ladungsmenge eines Protons eine positive Elementarladung das ist also die kleinste bekannte Ladungsmenge und die Ladung eines Objektes kann

jetzt also nur ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung sein und diese Eigenschaften der Ladung schauen wir uns jetzt noch mal ein bisschen näher auf den Folien an das heißt das ist ein bisschen Schulwissen wir unterscheiden also positiv und negative Ladungen hier in rot bzw blau gekennzeichnet und wir beobachten dass ich gleichnamige Ladungen also Ladungen mit gleichen Vorzeichen abstoßen und ungleichnamige Ladungen anziehen letzteres hatten wir gerade in diesem Vorlesen des Experiment beobachtet die Ladung kommt nur Quanten vor das heißt die Ladung eines Objektes kann immer nur ein Vielfaches der Elementarladung sein das heißt die Elementarladung hier steht

noch mal 1,6 x 10 hoch -19 und die Ladungsmenge in einem Körper setzt sich jetzt also aus dem ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung zusammen also beispielsweise hier haben wir also acht Elementarladungen in diesem Raum vereint dann ist die Ladungsmenge dieses Körpers hier - 8 mal die Elementarladung die Ladung ist stets an einladungsträger gebunden also an Elektronen Ionen oder Protonen wenn wir uns noch mal dieses einfache Atommodell hier anschauen dann besteht ein Atom also aus Protonen im Atomkern und Elektronen hier in blau dargestellt und jetzt aus makroskopischer Sicht ist die gesamtladungsmenge dieses Atoms besteht aus zwei Protonen

zwei Elektronen nach außen hin ladungsneutral das heißt gesamtladungsmenge dieses Atoms ist 0 und wenn wir jetzt ein Elektronen entfernen dann gibt es also ein Überschuss von einem Proton und damit ist die Ladungsmenge dieses hier uns nach außen positiv mit einer positiven Elementarladung die Ladung das ist jetzt wichtig darauf werden wir dann in den nächsten Wochen noch häufiger zu sprechen kommen ist eine haltungs Größe ähnlich wie die Energie das heißt in einem abgeschlossenen System also ein Raum wo nichts rein kann und nichts raus kann ist die Ladungsmenge steht's konstant das ist eine wichtige Gesetzmäßigkeit haben wir

wie gesagt wir werden darauf noch häufiger zu sprechen kommen wir können also nicht einfach innerhalb eines abgeschlossenen Raumes Ladungen erzeugen oder verschwinden lassen denn wir können zwar durch aufspalten Paare von Ladungen erzeugen die gesamtladungsmenge innerhalb dieses Volumens bleibt aber stets konstant und das heißt paarweise können solche ladungspaare durch aufspalten oder Vereinigung entstehen oder verschwinden aber wichtig nach außen ist die gesamtladungsmenge stets konstant ja und damit sie noch eine Größenordnung oder meine Vorstellung für Größenordnungen von Ladungen bekommen habe ich ihn hier in dieser Tabelle mal ja vier Größenordnungen mitgegeben unter den Zahlen kann man sich relativ

wenig vorstellen also die Elementarladung mit 10 hoch -19 coulomt das bedeutet im Umkehrschluss dass sie also 6 x 10 hoch 18 Elektronen benötigen um die Ladungsmenge von dem von - einem Coulomb zu realisieren also unter solchen Größenordnung kann man sich relativ wenig vorstellen etwas praktisch das sind die anderen beiden Beispiele also hier in so einem Blitzgerät von ihrer Kamera wird bei dem Entladen des Blitzes ja eine Ladungsmenge gefunden und 100m [Musik] umgesetzt und wenn Sie ein Gewitter Blitz betrachten wird er also eine Ladungsmenge von ja bis zu 1.000 Coulomb in dem Fall transportiert