Die elektrische Ladung und das elektrische Feld

Leiter und auch Nichtleiter können elektrisch aufgeladen werden. Ein einfaches Beispiel ist, der über den Kopf gezogene Wollpullover. Es knistert, die Haare stehen „zu Berge“ und in der Dunkelheit lassen sich sogar kleine Blitze beobachten. In Häuser und Wohnungen, welche einen Teppichboden erhalten, kommt es oft vor, dass es zum Beispiel beim Anfassen einer Türklinke einen kleinen elektrischen Schlag gibt. Umgangssprachlich spricht man davon „elektrisch geladen“ zu sein. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn ein Hartgummistab mit einem Wolllappen gerieben wird. Wird dieser Stab anschließend an einer Glimmlampe entlang geführt, so leuchtet diese auf. Für eine Wiederholung dieses Prozesses muss der Hartgummistab zunächst erst wieder mit dem Wolllappen gerieben werden.

Der Hartgummistab gibt also seine elektrische Ladung über die Glimmlampe ab. Durch Reibung können also Nichtleiter elektrisch geladen werden. Mit Hilfe von Glimmlampen kann die Abgabe der elektrischen Ladung sichtbar gemacht werden. Wird eine Experimentierkugel am Isoliergriff gehalten und mit dieser der Pol einer stark geladenen Quelle und danach eine Glimmlampe, so leuchtet diese auch auf. Die Pole einer elektrischen Quelle sind also in der Lage elektrische Ladung abzugeben. Es gibt sowohl positive als auch negative elektrische Ladung. Wird eine Experimentierkugel am Pluspol elektrisch geladen und anschließend über eine Glimmlampe entladen, so leuchtet diese nur an der der Kugel abgewandten Seite. Wird die Experimentierkugel hingegen am Minuspol elektrisch geladen und anschließend über die Glimmlampe entladen, so leuchtet diese auf der anderen Seite. Hieraus lässt sich schließen, dass es zwei Arten von elektrischer Ladung geben muss.

Zwischen Körpern, welche elektrisch geladen sind, herrschen Kräfte. Dies ist zu erkennen, wenn leicht bewegliche Körper elektrisch geladen werden. Die Richtung der Kräfte ist abhängig von der Art der Ladung. Körper mit gleichartiger Ladung stoßen sich gegenseitig ab, Körper mit ungleichartiger Ladung ziehen sich gegenseitig an. Dies ist eine Parallelität zum klassischen Magneten mit seinen Polen. Das Elektroskop macht sich das Phänomen der elektrischen Abstoßung zu Nutze, da sich hierdurch Ladungen messen lassen. Das Zeiger - Elektroskop besteht aus einem Metallstab, welcher mit einem Zeiger aus Metall drehbar verbunden ist. Der Stab mit dem Zeiger ist gegenüber dem Gehäuse isoliert. Wenn der Metallstab geladen wird verteilt sich die elektrische Ladung gleichmäßig über alle Metallteile, welche mit dem Metallstab verbunden sind. Der Zeiger wird daher gleichartig geladen, wie der Metallstab und daher von diesem abgestoßen.

Es ist möglich elektrische Ladungen voneinander zu trennen. Einige Gegenstände aus verschiedenen Materialien werden elektrisch geladen, wenn diese aneinander gerieben oder voneinander getrennt werden. Wird ein Plastikstab mit einem Wolltuch gerieben, so wird der Stab negativ elektrisch geladen und das Wolltuch positiv elektrisch geladen. Dies lässt sich mit Hilfe einer Glimmlampe oder mittels Elektroskop nachweisen. Da keine leitende Verbindung nach außen besteht, müssen die Ladungen bereits zuvor im Plastikstab und im Wolltuch vorhanden gewesen sein. Wird nun das Elektroskop mit dem Plastikstab geladen und anschließend das geladene Elektroskop die Ladung des Wolltuches gebracht, so geht der Ausschlag des Zeigers komplett zurück. Die entstandene positive und negative elektrische Ladung muss also gleich groß gewesen sein, da sich die Wirkung genau aufgehoben hat. Daraus lässt sich schließen, dass positive und negative elektrische Ladungen sich gegenseitig neutralisieren.

In allen Körpern ist elektrische Ladung vorhanden. Bei nicht geladenen Körpern ist die Menge an positiver und negativer Ladung genau gleich groß. Wenn Körper aneinander gerieben werden, so streift der eine Körper einen Teil der elektrischen Ladung des anderen Körpers ab. Daher kommt es bei einem Körper zu einem Überschuss der Ladungsart und beim anderen entsprechend zu einem Mangel.

Das elektrische Feld

Elektrisch geladene Körper üben stets Kräfte aufeinander aus, ohne dass eine Berührung zwischen diesen Körper stattfindet. Dieser Wirkungsbereich ist das elektrische Feld. Elektrisch geladene Körper erzeugen in ihrer direkten Umgebung elektrische Felder, in denen andere elektrisch geladene Körper Kräfte erfahren. Wird beispielsweise eine geladene Experimentierkugel in die Nähe eines Elektroskops gebracht, so schlägt dessen Zeiger in einer Richtung aus. Wird die Kugel langsam entfernt, so geht der Zeigerausschlag wieder zurück. Durch das elektrische Feld der Experimentierkugel werden Ladungen im Elektroskop getrennt. Wenn die Kugel positiv geladen ist, wird vom ihrem Feld negative Ladung im Elektroskop zur Kugel hingezogen. Im Elektroskop überwiegt nun eine positive elektrische Ladung, welche durch den Zeigerausschlag ablesbar ist. Dies ist das Prinzip der elektrischen Influenz.

In elektrischen Leitern lässt sich die Ladung durch ein elektrisches Feld einfach verschieben, so dass sich beispielsweise positive Ladungen an weit entfernten Stellen des Leiters sammeln können. Bei Nichtleitern ist dies nicht möglich, denn die elektrische Ladung ist nicht beweglich. Ein elektrisches Feld kann also nur eine Ladungsverschiebung innerhalb von kleinen Bereichen eines Nichtleiters erreichen. Dies ist vergleichbar mit dem Magnetfeld eines klassischen Magneten. Auch das elektrische Feld lässt sich durch die Feldlinien veranschaulichen. Die Richtung der Feldlinien gibt die Richtung der Kraft auf einen positiv geladenen Körper an.

Große elektrische Felder können zu einer Gefahr für den Menschen werden. Daher ist Abschirmung großer bewegter elektrischer Ladungen wichtig. Ein Elektroskop unter einem Metallkäfig schlägt nicht aus, wenn ein geladener Körper in dessen Nähe gelangt. Der Metallkäfig schirmt das elektrische Feld aller Ladungen ab, die sich außerhalb dieses Käfigs befinden. Dieser Käfig, wird nach seinem Entdecker Michael Faraday, auch Faraday - Käfig genannt. Das Prinzip wird heute beispielsweise zur Abschirmung von Messgeräten, Antennen und Computer genutzt. Störungen durch äußere elektrische Felder werden durch den Faraday- Käfig zuverlässig vermieden.