Um die Grundlagen der Elektrotechnik wie Potential, Spannung oder Stromstärke zu verstehen, muss zunächt die elektrische Ladung näher erklärt werden. Hiefür müssen vorweg nochmals die Grundlagen des Atommodells ins Gedächtnis gerufen werden. Formelzeichen
Einleitung
Einheit
Formel
Elementarladung
Atommodell
Betrachtet man den Aufbau eines Atoms besteht dieses vereinfacht ausgedrückt aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen.
Im Atomkern befinden sich die elektrisch neutralen Neutronen und die positiv geladenen Protonen.
Von Natur aus befinden sich im Atom gleich viele Elektronen wie Protonen. Daher ist das Atom nach außen hin elektrisch neutral.
Negative oder positive Ladung
Wie erklärt ist ein Atom, von Natur aus, nach außen hin neutral.
Nun kann aber auf einen Körper eine bestimmte Ladung aufgebracht werden. Diese kann entweder
positiv oder negativ sein.
Dabei gilt:
Besitzt ein Atom mehr Elektronen als Protonen: Negativ geladen.
Besitzt ein Atom mehr Protonen als Elektronen: Positiv geladen.
Berechnung
Mit der oben stehenden Formel dient zur Errechnung der Ladung. Im folgenden soll dies näher erklärt werden.
Bei e handelt es sich um die sogenannte Elementarladung. Diese hat einen konstanten Wert von 1,602 · 10−19C. So besitzt ein Elektron eine Ladung von -e und ein Proton die Ladung von +e.
Mit n wird die Anzahl an Ladungen angegeben.
Deshalb ergibt sich für die elektrische Ladung immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e.
Je nachdem wie viele Elektronen und Protonen sich auf dem Körper befinden bzw. wie groß der Elektronen- oder der Protonenüberschuss ist.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich
sagen:
Die elektrische Ladung lässt sich in eine negative und eine positive Ladung unterteilen.
Von Natur aus hat ein Atom nach außen keine Ladung. Dies ist der Tatsache geschuldet das sich gleich viele Elektronen und Protonen im Atom befinden.
Befinden sich mehr Elektronen als Protonen im Atom ist das Atom negativ geladen.
Befinden sich mehr Protonen als Elektronen im Atom ist das Atom positiv geladen.
Ausblick
Ein negativ geladenes Atom weist einen
Elektronenüberschuss auf.
Ein positiv geladenes Atom weist einen Protonenüberschuss oder anders ausgedrückt einen Elektronenmangel.
Die Überschüssigen Elektronen, des negativ geladenen Atoms, möchten sich zum Atom mit Elektronenmangel (positiv geladenes Atom) bewegen, welches einen Elektronenmangel aufweist.
Dieser Elektronenfluss wird als Strom bezeichnet.
Weitere Themen
Um 500 vor Christus (v. Chr.) hat der griechische Naturphilosoph Leukipp den Begriff Atom eingeführt. Das Atom wird vom griechischen Atomos abgeleitet, was "unteilbar" bedeutet. Heute wissen wir, dass Atome teilbar sind und aus einer Anordnung von Neutronen, Protonen und Elektronen bestehen.
Atommodelle
Damals, zur Zeit Leukipps, wie auch heute, sind fast alle Definitionen und Erklärungen um Atome und Atommodelle eher theoretischer
Natur. Nicht selten werden Atommodelle dazu benutzt unerklärbare Effekte oder Mechanismen eines Atoms plausibel zu machen.
1911 hat Rutherford das Atommodell mit Kern und Hülle entwickelt. Seiner Annahme zufolge bestand der Atomkern aus der gesamten positiven Ladung und die negativ geladenen Elektronen umkreisen in einer Hülle den Kern. Die Fliehkraft der kreisenden Elektronen sollte die Anziehungskraft durch den Kern auflösen und so die Elektronen in ihrer Bahn halten.
1913 berechnete
der dänische Physiker Niels Bohr die verschiedenen Energiestufen in einem Atom. Er entwickelte das Bohrsche Atommodell. Mit Rutherford stimmte er überein, dass Atome aus Kern und Hülle bestehen. Nur mit dem Unterschied, dass die Elektronen auf mehreren Bahnen, auch Schalen genannt, kreisen.
Im weiteren Text wird das Bohrsche Atommodell beschrieben.
Atom / Atome
Ein Atom ist der kleinste Baustein der chemischen Elemente. Es gibt weit über 100 verschiedene Atome, die ähnlich aufgebaut sind.
Atome setzen sich aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammen. Der Aufbau ist mit einem Planetensystem vergleichbar: Eine Sonne, das soll der Atomkern sein, um die sich die Planeten drehen (Atomhülle).
Der Atomkern befindet sich im Zentrum des Atoms. Er ist positiv geladen und enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Er setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen.
Das hier dargestellte Atommodell ist das Bohr-Atommodell. Es ist eine Sicht, wie Elektronen, Protonen und Neutronen zueinander stehen. Dabei geht man davon aus, dass sich Elektronen auf einer festen Bahn um den Atomkern drehen.
Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen. Sie kommen nur im Atomkern vor, weil sie in freiem Zustand nicht stabil sind. Die Anzahl der Protonen im Atomkern ist immer auch die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle. Protonen existieren auch im freien Zustand.
Elektronen
Die Atomhülle ist aus Elektronen aufgebaut. Die Elektronen sind elektrisch negativ geladene Teilchen. Die Elektronen auf dem äußersten Ring (Schale) des Atoms werden Valenzelektronen genannt. Das Fließen des elektrischen Stroms in leitendem Material entspricht der Bewegung der Valenzelektronen.
Ein Atom ist nach außen hin elektrisch neutral. Der Atomkern und die Atomhülle haben die gleiche Anzahl elektrischer Ladungen (Protonen und Elektronen).
Ionen
Atome mit mehr Elektronen als Protonen oder mehr Protonen als Elektronen werden Ionen genannt. Das Wort Ion stammt aus dem griechischen und bedeutet der Wandernde.
Atome, die positiv oder negativ, also nicht elektrisch neutral, geladen sind, können sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Das heißt, sie können bewegt
werden. Bei Atomen mit negativer Ladung spricht man von einem Elektronenüberschuss. Bei Atomen mit positiver Ladung spricht man von einem Elektronenmangel.
Wird einem neutralen Atom Elektronen entnommen, so besitzt das Atom mehr positive als negative Ladungen. Das Atom zieht negative Ladungen an und stößt positive Ladungen ab.
Wird einem neutralen Atom Elektronen zugeführt, so besitzt das Atom mehr negative als positive Ladungen. Das Atom zieht positive Ladungen an und stößt negative Ladungen ab.
Dazu folgender Witz (engl.): Two atoms are walking down the street. One says, "Uh oh, I've lost an electron." The other says, "Are you sure?" "Yes, I'm positive."
Ladungsträger
Ladungsträger sind für den elektrischen Strom sehr wichtig. Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn genug freie Ladungsträger vorhanden sind. Ladungsträger können Elektronen (metallische Ladungsträger) und Ionen (flüssige Ladungsträger) sein.
Welches Atommodell ist richtig?
Die meisten Atommodelle sind überholt und können trotzdem noch immer Gültigkeit haben. Das Bohrsche Atommodell ist so ein Fall. Doch zum Verständnis für viele Erklärungen in der Physik und Elektrotechnik ist es immer noch ausreichend.
Jedes Modell hat immer einen Gültigkeitsbereich, innerhalb dessen seine Genauigkeit ausreicht. Gleichzeitig legt ein Modell das Grundverständnis für das nächsthöhere Modell fest.
So hat das Modell "Scheibe" für die Erde auch heute noch ihre Berechtigung. Wer einmal quer durchs Land fahren will, den interessiert die Krümmung der Erde nicht, weshalb eine Landkarte viel praktischer ist als ein Globus.
Anders bei der Seefahrt. Die
Navigation muss zumindest die Kugelform der Erde berücksichtigen. Erst in der Satellitentechnik spielt es tatsächlich eine Rolle, das die Erde in Wirklichkeit eher eiförmig ist.
Grundsätzlich wählt man das Modell, welches das vorhandene Problem ausreichend genau beschreibt oder um eine Eigenschaft verständlich darzustellen. Bei Bedarf muss man ein anderes Modell wählen, dass passender oder genauer ist.
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