Ladung und Strom

Die elektrische Ladung gehört zu den bilanzierfahigen Mengen der Physik. Was Ladung wirklich ist, vermag niemand zu sagen. Ladung kann gespeichert und transportiert werden. Ladung ist zudem ein Energieträger.

Die elektrische Ladung erzeugt eine elektrisches Feld, der zugehorige Strom ein magnetisches Feld. Zudem kann ein Strom fliessen, ohne dass der stromdurchflossene Leiter elektrisch geladen ist. Man misst dann ein reines Magnetfeld.

Phänomene

Zwei isoliert aufgestellte Metallkugeln, die leitend mit je einem Elektrometer verbunden sind, dienen als Versuchsobjekte.

1. Reibt man einen Glasstab mit einem Wolllappen und berührt mit dem Stab die eine Metallkugel, spreizen sich die Metallplättchen des Elektrometers. Berührt man die Metallkugel danach mit der Hand, geht der Ausschlag beim Elektrometer wieder auf Null zurück. Offensichtlich bringt man mit dem Glasstab etwas auf die Kugel, das nachher wieder über die Hand abfliesst.
2. Reibt man einen Bernsteinstab mit einem Katzenfell und berührt danach mit dem Bernstein die andere Metallkugel, schlägt das zugehörige Elektrometer ebenfalls aus. Wieder geht der Ausschlag auf Null zurück, sobald man die Kugel mit der Hand berührt.
3. Lädt man die eine Kugel mit dem Glasstab und die andere mit dem Bernsteinstab auf, bis die Plättchen der beiden Elektrometer gleich weit ausschlagen, kann man ein Experiment durchführen, das lange nicht verstanden worden ist. Dazu nimmt man einen Löffel, der aus einer Metallscheibe und einem Stil aus Isolatormaterial besteht. Berührt man mit diesem "Ladungslöffel" die Kugeln mehrmals abwechslungsweise, geht der Ausschlag bei beiden Kugeln schrittweise zurück. Nach einigen Hin- und Herbewegungen des Löffels zeigen beide Elektrometer nichts mehr an.
4. Der gegenteilige Vorgang lässt sich auch beobachten. Klebt man ein Stücke eines breiten Klebbands auf die eine, ungeladene Kugel, reisst es ab und befestigt danach das gleich Stück Klebband, ohne es direkt zu berühren, auf der andern Kugel, reagieren beide Elektrometer mit einem Zeigerausschlag. Nähert man sich danach mit dem Bernstein- oder dem Glasstab den beiden Kugeln, reagieren die zugehörigen Elektrometer unterschiedlich auf diese Annäherung.

Es drängt sich die folgende Erklärung auf: Der geriebene Glasstab trägt eine mengenartige Grösse, die man elektrische Ladung nennt. Diese Ladung fliesst vom Glasstab auf die Kugel und danach über die Hand wieder ab. Man könnte nun beim Bernsteinstab analog argumentieren und von zwei verschiedenen Ladungen sprechen. Aus Experiment drei und vier geht aber hervor, dass sich die beiden Ladungen zu Null kompensieren oder aus einem ungeladenen Zustand heraus paarweise erzeugen lassen. Dieses Verhalten kann man mathematisch sauber erklären, indem man in einem Fall von einem Überschuss und im andern von einem Mangel (Unterschuss) an Ladung spricht. Wann ein Überschuss und wann ein Mangel vorliegt, darf frei definiert werden. Man hat sich vor langer Zeit darauf geeinigt, dass das geriebene Glas einen Überschuss und der geriebene Bernstein einen Mangel an elektrischer Ladung trägt.

Vorzeichen und Einheit

Ein Körper kann einen Überschuss oder einen Mangel an elektrischer Ladung aufweisen. Weist ein Körper einen Ladungsmangel auf, ist er also negativ geladen, muss Ladung zugeführt werden, damit er in den elektrisch neutralen Zustand übergehen kann. Man hüte sich davor, bei diesem Vorgang von Abfuhr von negativer Ladung zu sprechen. So benötigt ein verschuldeter Mensch Geld, damit er finanziell wieder ins Gleichgewicht kommt. Der Schuldner selber wird zwar behaupten, dass er seine Schulden abgebaut habe. Doch das ändert nichts daran, dass ihm - aus welchen Gründen auch immer - Vermögenswerte zugeflossen sind.

Im Versuch mit dem Glasstab, fliesst die elektrische Ladung vom Stab auf die Kugel und dann über die Hand an die Erde ab. Der Bernsteinstab weist nach dem Reiben mit dem Katzenfell einen Mangel, einen Unterschuss, an elektrischer Ladung auf. Berührt man mit diesem Stab die Metallkugel, geht elektrische Ladung von der Kugel an den Stab über. Die Kugel weist danach selber ein Defizit auf, das durch das Berühren mit der Hand wieder aufgefüllt wird.

Die elektrische Ladung wird in Coulomb (C) gemessen. Ein Coulomb ist eine sehr grosse Einheit. Mit Glas oder Bernstein bringt man nur einige Nanocoulomb (milliardstel Coulomb) auf eine Metallkugel bzw. von dieser weg.

Strom: Richtung und Einheit

Die mit dem Glasstab geladene Kugel weist einen Überschuss an elektrischer Ladung auf; der andern Kugel mangelt es an Ladung, weil das mit dem Katzemfell geriebene Bernstein Ladung entzogen hat. Verbindet man nun die entgegen gesetzt gleich stark geladenen Kugeln leitend miteinander, gehen beide Kugeln in den neutralen Zustand über. Obwohl dieser Vorgang phänomenologisch symmetrisch ist, muss von einem Fliessen von Ladung von der glaselektrisch zur bernsteinelektrisch geladenen Kugel gesprochen werden. Der elektrische Strom nimmt dort seinen Anfang, wo die Ladung abnimmt (von plus gegen Null) und endet bei der Kugel, deren Ladung zunimmt (von minus gegen Null). Die Richtung des elektrischen Stromes ist so durch die Wahl des positiven Vorzeichens auf natürliche weise definiert. Diesen Gedankengang werden wir beim Impuls und beim Drehimpuls wiederholen. Auch bei diesen Grössen müssen wir willkürlich festlegen, wann ein Überschuss und wann eine Mangel vorliegt. Die Richtung der Impuls- und Drehimpulsströme ergibt sich dann auf natürlcihe Weise.

Die Stärke des elektrischen Stromes wird in Ampère (A) gemessen. Folglich ist ein Coulomb eine Ampèresekunde

1 A = 1 C/s

Seit der Entdeckung des Elektrons gegen Ende des 19. Jahrhunderts, also erst nach der Erfindung der Glühbirne durch Thomas Edison, geistert die Mär von einer physikalsichen und einer technischen Stromrichtung durch die Lehrbücher. Wer von Strömen redet, sollte aber immer sagen, welcher Transport zur Diskussion steht. Elektronen sind Ladungsträger, die eine negative Ladung tragen. Folglich fliessen im Draht mindestens ein Elektronenstrom und ein elektrischer Strom. Quantitiv sind diese beiden Ströme über die Ladung des Elektrons , -e genannt, verbunden

[math]I = -e I_N[/math]

Die Stärke des Elektronenstromes I_N beschreibt den Transport der Elektronen. Der elektrische Strom I wird in Ampère, der Eletronenstrom I_N in Teilchen pro Sekunde gemessen. e steht für Elementarladung, welche 1.6 10^-19 Teilchen/C misst. Zudem sollte man sich Bewusst sein, dass der Ladungstransport in Metallen wenig mit Beweung im Sinne der Mechanik zu tun hat. Gerade den Elektronen, die für den Transport verantwortlich sind, darf man keinen festen Ort zuweisen. Die Leitungselektronen sind über das ganze Metall "verschmiert". Folglich bewegen sie sich auch nicht im mechanischen Sinne (unter einer Bewegung versteht man die zeitliche Abfolge eines identifzierbaren Objekts).

Der elektrischen Strom fliesst gegen den Elektronenstrom, weil die Elektronen negativ geladen sind. Würde man Geldscheine mit negativem Wert einführen, flösse der Wertstrom auch gegen den Strom der Geldscheine. Nur würde dann der Geldscheinstrom allzu oft im Papierkorb enden.