Was ist elektrische Ladung? Definition, Arten & Beispiele

Die Ladung ist die grundlegendste und fundamentalste Größe in der Elektronik. Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Materie, die von einigen Elementarteilchen getragen wird und bestimmt, wie diese Teilchen von einem elektrischen oder magnetischen Feld beeinflusst werden. Der Fluss von Ladung durch einen Stromkreis, der Energie von der Batterie (oder dem Netzteil) transportiert, wird als Elektrizität bezeichnet. Elektrizität kann nur fließen, wenn ein geschlossener Stromkreis von der Batterie über Leitungen zu den Bauteilen und wieder zurück zur Batterie besteht. Die Einheit der elektrischen Ladung im Meter-Kilogramm-Sekunden- und im SI-System ist das Coulomb und ist definiert als die Menge elektrischer Ladung, die in jeder Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters in einem elektrischen Stromkreis fließt, wenn der Strom den Wert von einem Ampere hat.

Wir sagen, dass Elektrizität vom positiven (+) Pol einer Batterie zum negativen (–) Pol der Batterie fließt. Man kann sich Teilchen mit positiver elektrischer Ladung vorstellen, die sich in dieser Richtung durch den Stromkreis bewegen. Dieser Elektrizitätsfluss wird konventioneller Strom genannt und ist die in der Elektronik allgemein verwendete Flussrichtung. Dies ist jedoch nicht die ganze Wahrheit, denn die Teilchen, die sich tatsächlich bewegen, tragen eine negative Ladung und fließen in die entgegengesetzte Richtung! Lassen Sie uns in diesem Artikel mehr über Elektrizität und elektrische Ladung erfahren.

1.    Definition von 1C

1 C kann definiert werden als die Ladung, die in einer Sekunde durch einen Draht fließt, wenn der durch den Draht fließende Strom 1 A beträgt. Ein Coulomb besteht aus 6,24 × 10¹⁸ natürlichen Einheiten elektrischer Ladung, wie einzelnen Elektronen oder Protonen. Aus der Definition des Ampere ergibt sich, dass das Elektron selbst eine negative Ladung von 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb besitzt. Eine elektrochemische Einheit der Ladung, das Faraday, ist nützlich zur Beschreibung von Elektrolysereaktionen, beispielsweise bei der metallischen Galvanisierung. Ein Faraday entspricht 96485,332123 Coulomb, der Ladung eines Mols Elektronen (also der Avogadro-Zahl, 6,02214076 × 10²³, von Elektronen).

2.    Grundlegende Eigenschaften der elektrischen Ladung:

Elektrische Ladungen, die einander entgegengesetzt sind, ziehen sich an. Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Diese Eigenschaften sind wie folgt:

Zwei Protonen und zwei Elektronen stoßen sich beispielsweise gegenseitig ab. Protonen und Elektronen besitzen eine starke gegenseitige Anziehung. Diese Eigenschaften werden durch die Art der Ladung oder die auf sie wirkende Kraft sowie die Flussrichtung bestimmt. Die Art der getragenen Ladung ist unterschiedlich (beachten Sie, dass Protonen eine Ladung von 1,6 × 10⁻¹⁹ C besitzen, während Elektronen eine Ladung von –1,6 × 10⁻¹⁹ C haben). Obwohl Proton und Elektron betragsmäßig die gleiche Ladung besitzen, sind ihre Eigenschaften entgegengesetzt. Das Vorzeichen der Ladung wird mit q oder Q bezeichnet. Die Anzahl der Elektronen multipliziert mit der Ladung eines Elektrons ergibt die Gesamtladung der Elektronen in einem Atom. Die Ladungsformel kann gemäß dieser Definition wie folgt geschrieben werden:

Q=ne

Dabei steht Q für die Gesamtladung, e für die Ladung eines einzelnen Elektrons und n für die Gesamtzahl der Elektronen. Die Ladung eines Körpers kann durch Vergleich mit einem Referenzwert gemessen werden. Studien zufolge beträgt die Ladung eines Elektrons 1.6 x 10-19 C.

3.    Elektrische Ladungen sind von zwei Typen:

Positive Ladung:

Die Ladung positiver Ladungen oder Protonen beträgt +1,6 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Die Feldlinien einer positiven Ladung treten aus ihr heraus und erstrecken sich bis ins Unendliche.

Negative Ladung:

Die negativen Ladungen oder Elektronen besitzen eine Ladung von –1,6 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Die Feldlinien einer negativen Ladung kommen aus dem Unendlichen.

Elektrische Ladungen bewirken, dass sich Haarsträhnen zu einem Lineal hin bewegen. Ebenso zieht ein an den Haaren geriebener Ballon die Haare zum Ballon; werden jedoch zwei Ballons gleichzeitig aneinander berührt, stoßen sich die Ballons gegenseitig ab, während die Haarsträhnen angezogen werden.

Der elektrische Strom ist die Rate, mit der elektrische Ladungen fließen.

q/t = I

4.    Grundlegende Eigenschaften der elektrischen Ladung:

1) Additivität der elektrischen Ladung

Als Punktladungen betrachtet, sind elektrische Ladungen skalare Größen. Es ist zu beachten, dass Ladungen zwar als Punktladungen auftreten können, aber dennoch positive und negative Ladungen sind. Befinden sich n Ladungen in einem System, so entspricht die Gesamtladung gemäß der Additivitätseigenschaft der elektrischen Ladung der algebraischen Summe der einzelnen Ladungen.

Q = q1+ q2+ q3+ q4+ q5+ q6+ q7+ q8+ ….. qn

2) Erhaltung der Ladung:

Nach dem Gesetz der Ladungserhaltung werden Ladungen weder erzeugt noch vernichtet. Sie können von einem Körper auf einen anderen übertragen werden, jedoch weder geschaffen noch zerstört werden. In einem isolierten System bleibt die Gesamtladung stets erhalten.

3) Quantisierung der Ladung:

Die Ladung eines Systems ist eine feste Größe. Technisch gesehen ist die Ladung eine quantisierte Größe. Die Nettoladung eines Systems kann als ganzzahliges Vielfaches der elementaren Ladung (d. h. 1,6 × 10⁻¹⁹ C) dargestellt werden. Besitzt ein Körper eine Nettoladung q, so kann die Gleichung wie folgt geschrieben werden:

Q = ne

Der Buchstabe e steht für die elementare Ladungseinheit von Elektronen und Protonen. n muss in dieser Formel eine ganze Zahl sein; sie darf weder gebrochen noch irrational sein. Daher kann jeder positive oder negative Integerwert als n verwendet werden, beispielsweise 1, –1, 2, –3, 4, –5 und so weiter.

Das Konzept der Quantisierung der elektrischen Ladung ist entscheidend für die Berechnung der gesamten elektrischen Ladung eines Systems mithilfe der Gleichung q = ne. Betrachten wir ein System mit insgesamt n₁ Elektronen und n₂ Protonen. Auf Grundlage dieser Angaben lässt sich schließen, dass die Gesamtladung (n₂ – n₁) e beträgt.

Fazit:

Wird Materie in ein elektromagnetisches Feld gebracht, nimmt sie eine elektrische Ladung an und erfährt dadurch eine Kraft. Es kann eine positive oder negative elektrische Ladung existieren (üblicherweise getragen von Protonen bzw. Elektronen). Gleichartige Ladungen stoßen sich ab, während ungleichartige Ladungen sich anziehen.