Physik · Klasse 7–8 · aktualisiert
Elektrische Ladung verstehen und berechnen
Erkläre positive und negative Ladung mit der Elektronenbilanz und berechne transportierte Ladung aus Stromstärke und Zeit.
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Kurz gesagt
Elektrische Ladung ist die Bilanz positiver und negativer Ladungen eines Körpers. Ein Elektronenüberschuss macht ihn negativ, ein Elektronenmangel positiv; bei Ausgleich ist er neutral. Die Einheit ist Coulomb. Bei konstantem Strom berechnest du transportierte Ladung mit Stromstärke mal Zeit.
Elektrische Ladung beschreibt, ob bei einem Körper positive und negative Ladungen ausgeglichen sind oder ob ein Elektronenüberschuss beziehungsweise Elektronenmangel besteht. Das Formelzeichen ist Q, die Einheit ist Coulomb. Auf dieser Seite lernst du, das Vorzeichen einer Ladung zu erklären, Ladungen zu berechnen und elektrische Ladung von Stromstärke zu unterscheiden.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Atome enthalten positiv geladene Protonen, negativ geladene Elektronen und elektrisch neutrale Neutronen. Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern, Elektronen in der Atomhülle.
Für das Vorzeichen vergleichst du Protonen und Elektronen. Bei gleicher Zahl ist der Körper neutral und Q=0. Ein Elektronenüberschuss ergibt Q<0; ein Elektronenmangel ergibt Q>0.
Positive Aufladung entsteht im Alltag meist durch den Verlust von Elektronen. Protonen bleiben normalerweise fest in den Atomkernen gebunden.
Die Angabe Q = -2{,}0\,\mathrm{nC} beschreibt ebenfalls eine negative Ladung. Das Minuszeichen steht für einen Elektronenüberschuss. nC bedeutet Nanocoulomb; ein Nanocoulomb ist ein milliardstel Coulomb.
Definition
Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung Q ist eine physikalische Größe. Sie gibt die Bilanz der positiven und negativen Ladungen eines Körpers an. Ihre Einheit ist Coulomb.
Beispiel
- 1Ein Körper enthält in der betrachteten Bilanz sechs Protonen und elf Elektronen. Es gibt fünf Elektronen mehr als Protonen. Seine Gesamtladung beträgt daher Q = -5e.
- 2Das Minuszeichen zeigt den Elektronenüberschuss. Es bedeutet nicht, dass die Menge „kleiner“ oder schwächer sein muss.
Merke: Neutral bedeutet nicht „ohne geladene Teilchen“. In einem neutralen Körper gleichen sich positive und negative Ladungen aus.
Teste dich
Geladene Körper können sich ohne direkte Berührung anziehen oder abstoßen. Entscheidend sind ihre Ladungsarten: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Das gilt für positiv–positiv und negativ–negativ. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
Beim Aufladen werden normalerweise Elektronen von einem Körper auf einen anderen übertragen. Reibung stellt einen besonders engen Kontakt her und kann diesen Übergang begünstigen. Die Ladungen werden dabei getrennt: Der eine Körper erhält die Elektronen, die dem anderen fehlen.
Bei leitenden Metalloberflächen können sich übertragene Elektronen über die Oberfläche verteilen. Berühren sich geladene Körper, kann Ladung außerdem geteilt oder ausgeglichen werden.
Berührt ein negativer Plastikstab eine neutrale Metallkugel, kann er Elektronen auf sie übertragen. Danach ist die Kugel negativ geladen, während der Elektronenüberschuss des Stabs kleiner geworden ist. Das ist Ladungsübertragung mit anschließendem Ladungsausgleich.
Beispiel
- 1Beim Reiben eines Gummiballons an Haaren können Elektronen von den Haaren auf den Ballon übergehen. Der Ballon wird negativ, die Haare werden positiv.
- 2Ballon und Haare ziehen sich wegen ihrer ungleichnamigen Ladungen an. Die positiv geladenen Haare stoßen sich zugleich gegenseitig ab und können deshalb auseinanderstehen.
Merke: Gleichnamig stößt ab, ungleichnamig zieht an.
Beispiel: Im vereinfachten System aus Ballon und Haaren gilt
- 1Elektronen verlassen die Haare.
- 2Dieselben Elektronen gelangen auf den Ballon.
- 3Die Haare besitzen danach Elektronenmangel und sind positiv.
- 4Der Ballon besitzt Elektronenüberschuss und ist negativ.
Teste dich
Ein Proton trägt die positive Elementarladung, ein Elektron die negative. Ihr gemeinsamer Ladungsbetrag heißt Elementarladung e und ist sehr klein. Für die folgenden Zählaufgaben brauchst du seinen Zahlenwert in Coulomb nicht.
Die Ladung eines Körpers ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung:
Q = N \cdot e
N ist die vorzeichenbehaftete Bilanz der Elementarladungen. Ein Elektronenüberschuss führt zu einem negativen, ein Elektronenmangel zu einem positiven Wert von N.
Elektrische Stromstärke I gibt an, wie viel Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt transportiert wird. Bei konstantem Strom gilt:
Q = I \cdot t
Dabei ist t die Zeit. Weil ein Ampere einer transportierten Ladung von einem Coulomb pro Sekunde entspricht, gilt:
1\,\mathrm C = 1\,\mathrm A \cdot 1\,\mathrm s
Ein Elektroskop weist elektrische Ladung durch die Abstoßung gleichnamiger Ladungen nach. Ladung verteilt sich auf bewegliche Teile des Geräts; deren Abstoßung erzeugt einen sichtbaren Ausschlag. Ein einfaches Elektroskop ermöglicht Vergleiche. Ohne zusätzliche Referenz liefert es jedoch weder einen exakten Zahlenwert in Coulomb noch ein eindeutiges Vorzeichen.
Ein Elektrometer kann in einer geeigneten Messschaltung Ladung quantitativ messen und einen Wert in Coulomb anzeigen.
Ladung lässt sich auch beim Entladen eines Körpers bestimmen. Bei konstantem Strom gilt Q=I\cdot t. Ändert sich die Stromstärke, berechnest du die Ladung für kurze Zeitabschnitte und addierst sie.
Beispiel: Sechs Protonen und elf Elektronen ergeben die Bilanz
- 1N = 6 - 11 = -5
- 2Damit gilt
- 3Q = -5e
- 4Das Ergebnis ist negativ, weil fünf Elektronen überzählig sind.
Beispiel: Transportierte Ladung bei konstantem Strom
- 1Durch einen Leiter fließt t=4\,\mathrm s lang ein konstanter Strom von I=2\,\mathrm A.
- 2Gesucht ist die transportierte Ladung Q. Bei konstantem Strom gilt Q=I\cdot t.
- 3Q=2\,\mathrm A\cdot4\,\mathrm s=8\,\mathrm C
- 4In vier Sekunden werden 8\,\mathrm C Ladung durch den Leiterquerschnitt transportiert.
Merke: Q beschreibt eine Ladung oder transportierte Ladungsmenge. I beschreibt, wie viel Ladung pro Zeit transportiert wird. Ladung und Stromstärke sind daher nicht dieselbe physikalische Größe.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Elektrische Ladung
Bilanz
neutral, positiv oder negativ
Ladungsträger
Protonen und Elektronen
Wirkung
Anziehung oder Abstoßung
Übertragung
Elektronen wechseln den Körper
Berechnung
Q = N \cdot e oder Q = I \cdot t
Nachweis und Messung
Elektroskop oder Elektrometer
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Welche Ladung fließt durch einen Leiter?
- 1Durch einen Leiter fließt während t=20\,\mathrm s ein konstanter Strom von I=0{,}15\,\mathrm A.
- 2Gesucht ist die transportierte Ladung Q; bei konstantem Strom gilt Q=I\cdot t.
- 3Q=0{,}15\,\mathrm A\cdot20\,\mathrm s=3{,}0\,\mathrm C
- 4Es passieren 3{,}0\,\mathrm C den Leiterquerschnitt; das sagt nichts über die Ladungsbilanz des Leiters aus.
Fehler finden
Welche Ladung entsteht bei Elektronenverlust? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Elektronenverlust erzeugt positive Ladung. Richtig ist Q=+4e für den ersten Körper; der zweite erhält die negative Ladung.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Beim Reiben können übertragen werden. Ein Elektronenüberschuss führt zu einer Ladung. Ein Elektronenmangel führt zu einer Ladung.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback