Big Bang Physik 6, Schulbuch

Grundlagen der Elektrizität 1  22  GG 6.2/G 6.2 Elektrizitätslehre/Elektrische Energie  73 Welche Ladungen werden beim Reiben übertragen ( F5 )? Nur negative! Warum? Weil es durch Reiben unmöglich ist, Protonen aus dem Kern herauszulösen. Elektronen können aber relativ leicht aus der Hülle abgelöst werden. Der Löffel in Abb. 22.5b, S. 71 hat also einen Elektronenüberschuss und das Tuch einen Elektronenmangel. Du siehst, dass sich etwas positiv aufladen kann, auch wenn nur Elektronen fließen. Zusammenfassung Wie die Materie ist auch die Ladung nicht beliebig teilbar. Die kleinste, frei vorkommende Ladung haben Protonen und Elektronen, und man nennt sie die Elementarladung . 22.1.3 Trillionen Elektronen Das Coulomb-Gesetz In diesem Abschnitt geht es um das Gesetz, das die Kräfte zwischen Ladungen beschreibt: das Coulomb-Gesetz. Bevor wir uns die Kräfte zwischen Ladungen ansehen, noch ein kurzer Blick auf die Ladung selbst. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C). Sie ist im Alltag nicht gebräuchlich und es ist nicht leicht, sich etwas darunter vorzustellen. Man kann aber so sagen: Eine volle Batterie hat eine Ladung von einigen bis vielen Tausend Coulomb (siehe Abb. 22.10 und Tab. 22.4, S. 76). Weil die Elementar- ladungen so winzig sind, ist es nicht praktikabel, die Zahl der einzelnen Ladungen anzugeben.  Info: 6 Trillionen Elektronen Obwohl es mehreren Forschern gelang, ein Gesetz für die elektrische Kraft aufzustellen, wird es dem Franzosen CHARLES AUGUSTE DE COULOMB zugeschrieben, nach dem auch die Einheit der Ladung benannt ist. Er hat es um etwa 1776 formuliert, und es gilt zwischen zwei punktförmigen oder kugelförmigen Ladungen. Die Gleichung ist dem Z Wie lautet das Gravitationsgesetz von NEWTON? Recherchiere und schlage nach! Mit welcher elektrischen Kraft ziehen einander das Proton und das Elektron im Wasserstoffatom an? Mit welcher Kraft stoßen einander die zwei Protonen in einem Heliumkern ab? Könntest du mit Muskelkraft das Elektron ablösen und die Protonen zusammen- halten? Gib einen Tipp ab! L Zwei Elektronen befinden sich im Abstand von einem Meter. Durch die Gravitationskraft ziehen sie einander an, durch die elektrische Kraft stoßen sie einander ab. Welche Kraft gewinnt? Wie funktioniert ein Laserdrucker? Werden dabei mit einem Laser die Buchstaben aufs Papier gebrannt? F6 W1  F7 W2  F8 W1  F9 S2  Gravitationsgesetz sehr ähnlich, das 1686 von SIR ISAAC NEWTON veröffentlicht wurde. Formel: elektrische Kraft (Coulomb-Gesetz) F E =  k ​  Q 1 Q 2 ____  r 2  ​ F E … elektrische Kraft [N] Q 1 und Q 2 … Ladung der Gegenstände [C] r … Abstand der Ladungen [m] k … Proportionalitätskonstante k = 8,99·10 9 Nm 2 /C 2 Trotz vieler Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Geset- zen gibt es aber auch zwei wesentliche Unterschiede (siehe Tab. 22.1). Erstens ist die elektrische Kraft viel, viel größer als die Gravitationskraft. Sie ist die zweitstärkste der vier Kräfte im Universum, die Gravitationskraft hingegen die schwächs- te. Der zweite große Unterschied: Während sich Massen nur anziehen können, können sich Ladungen auch abstoßen. elektrische Kraft Gravitationskraft F E = k  ​  Q 1 Q 2 ____  r 2  ​ F G  = G  ​  m 1 m 2 _____  r 2  ​ proportional zu 1/ r 2 ; wirkt daher unendlich weit proportional zu 1/ r 2 ; wirkt daher unendlich weit proportional zum Produkt der beiden Ladungen proportional zum Produkt der beiden Massen k kann nur experimentell ermittelt werden (8,99 · 10 9 Nm 2 /C 2 ) G kann nur experimentell ermittelt werden (6,67 · 10 –11  m 3 /(kgs 2 )) ungleiche Ladungen ziehen einander an, gleiche Ladungen stoßen einander ab Massen können einander nur anziehen relative Stärke 10 –2 relative Stärke 10 –38 Tab. 22.1:  Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen F E und F G : Die relative Stärke gilt im Vergleich mit der starken Kraft, die die Quarks in den Neutronen und Protonen zusammenhält (siehe Tab. 10.1, Kap. 10.1, „Big Bang 5“).  Info: Wer ist stärker? | -> S. 74  Experiment: Elektroskop und Co. | -> S. 74  Info: Laserdrucker | -> S. 74 6 Trillionen Elektronen Wie viele Elektronen braucht man auf einem Haufen, damit man eine Ladung von einem Coulomb bekommt? Oder anders formuliert: Mit welcher Zahl muss ich die Einheits- ladung e multiplizieren, damit ich 1 C herausbekomme? N · e = 1 C. Daraus folgt N = 1 C/ e . N ist also zahlenmäßig der Kehrwert der Elementarladung und somit rund 6,2 · 10 18 . Wow! Für ein Coulomb brauchst du mehr als 6 Trillionen Elektronen . Kein Wunder also, dass man nicht die Zahl der Elektronen angibt. i Abb. 22.10:  Eine Alkaline-Batterie Typ AA hat in aufgeladenem Zustand rund 4000 Coulomb. F Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv