Elektrisches Ladungsmaterial
Betrachten Sie einen Gegenstand in Ihrer Umgebung. Zerstört man einen Gegenstand, beispielsweise einen Stein, zerfällt dieser in viele kleinere Stücke. Wird der Stein erneut zerdrückt, zerfällt er in noch kleinere Stücke. Was passiert, wenn die Steinstücke wieder zerdrückt werden? Natürlich werden sie erneut zerdrückt und zerfallen in noch kleinere Stücke. Können Steine in unendlich viele kleine Teile zerlegt werden? Die Tatsache, dass jeder Gegenstand, wenn er in kleinere Teile zerlegt wird, irgendwann einen Punkt erreicht, an dem der kleinste Teil des Gegenstands nicht weiter zerteilt werden kann. Dieser kleinste Teil eines Gegenstands, der nicht weiter zerlegt werden kann, wird Atom genannt. Ein Atom ist also der kleinste Bestandteil aller Materie im Universum.
Elektrische Ladung in Atomen
Atome bestehen aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Protonen und Neutronen bilden den Atomkern, der einen Durchmesser von etwa 10⁻¹⁵ Metern hat . Die Elektronen befinden sich außerhalb des Kerns und umkreisen ihn wie Planeten die Sonne. Geht man davon aus, dass ein Atom mehrere Kilometer Durchmesser hat, ist der Kern etwa so groß wie eine Billardkugel. Die Elektronen befinden sich im Inneren des Kerns und erreichen einen Abstand von etwa 10⁻¹⁰ Metern . Zwischen dem Kern und einem Elektron befindet sich leerer Raum.
Negativ geladene Elektronen befinden sich am Rand des Atoms, positiv geladene Protonen im Atomkern. Damit die Elektronen den Atomkern umkreisen und nicht aus dem Atom entweichen, muss der positiv geladene Atomkern eine Anziehungskraft auf die Elektronen ausüben. Diese Kraft, die die Elektronen im Atomkern hält und ihr Entweichen verhindert, wird als elektrische Kraft bezeichnet.
Umgekehrt befinden sich im Atomkern positiv geladene Protonen, die sich aufgrund ihrer gleichen Ladung naturgemäß abstoßen. Damit die Protonen im Atomkern zusammengehalten werden und sich nicht vom Atom trennen, muss eine Kraft wirken. Diese Kraft, die die Protonen im Atomkern zusammenhält, wird Kernkraft genannt.
Die Masse eines Protons ist nahezu identisch mit der Masse eines Neutrons. Etwa 99,9 % der Atommasse befinden sich im Atomkern, während Elektronen eine sehr geringe Masse besitzen. Die Masse eines Elektrons (m<sub> e</sub> ) beträgt 9,1093897 × 10<sup> -31</sup> kg, die Masse eines Neutrons (m <sub>n</sub> ) 1,6749286 × 10<sup> -27</sup> kg und die Masse eines Protons (m <sub>p</sub> ) 1,6726231 × 10<sup> -27</sup> kg.
Elektrische Ladungsmenge
Elektronen sind negativ geladen, Protonen positiv und Neutronen elektrisch neutral. Die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht, setzen sich aus Quarks zusammen, deren Ladungen etwa 1/3 bzw. 2/3 der Elektronenladung betragen. Quarks sind die kleinsten Bausteine von Atomen, bisher konnten sie jedoch noch nicht als einzelne Teilchen nachgewiesen werden.
Die Größe der Elementarladung (Elektronen- oder Protonenladung) ist die Grundeinheit der Ladung. Die Größe der elektrischen Ladung eines Objekts ist ein Vielfaches der Elementarladung. Dies wird als gequantelte Ladung bezeichnet . Wenn beispielsweise die kleinste Währungseinheit 100 Rupiah beträgt, wird der Geldbetrag einer Person in Vielfachen dieser kleinsten Währungseinheit, also 100 Rupiah, angegeben. Mein Geldbetrag beträgt beispielsweise 100.000, und diese 100.000 können durch 100 geteilt werden. Es wäre ungewöhnlich, wenn mein Geldbetrag 100.002 betragen würde, da es keine 2-Rupiah-Münze gibt. Ebenso verhält es sich mit der Ladung eines Objekts. Die Ladung eines Elektrons beträgt -e und die eines Protons +e. Die Ladung eines Objekts ist ein Vielfaches von e oder 1,60 × 10⁻¹⁹ Coulomb und kann durch Q = ±Ne ausgedrückt werden. Q = Ladungsmenge, ± steht für die Art der Ladung, N = ganze Zahl, e = 1,60 x 10 -19 Coulomb.
Elektrische Ladung in Objekten
Besitzt ein Atom die gleiche Anzahl an Elektronen wie Protonen, so ist seine Gesamtladung null, und es ist neutral. Die Anzahl der Protonen oder Elektronen in einem neutralen Atom wird als Ordnungszahl (Z) bezeichnet . Besitzt ein Atom mehr Elektronen als Protonen, ist es negativ geladen. Besitzt es hingegen weniger Elektronen als Protonen, ist es positiv geladen. Negativ geladene Atome werden als negative Ionen , positiv geladene als positive Ionen bezeichnet . Die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen durch ein Atom wird als Ionisation bezeichnet . Wenn wir sagen, ein Atom sei geladen, meinen wir die Gesamtladung oder Nettoladung. Beispielsweise besitzt ein Atom 10 Elektronen und 7 Protonen. Dieses Atom ist negativ geladen, da es 3 überschüssige negativ geladene Elektronen hat. Die Nettoladung dieses Atoms beträgt also 3, und die Art der Ladung ist negativ. Die Zahlen 3, 7 und 10 sind lediglich Beispiele zur Veranschaulichung. Tatsächlich ist die elektrische Ladung eines Objekts ein Vielfaches der Elektronenladung bzw. der Protonenladung.
Besitzt ein Objekt genauso viele Elektronen wie Protonen, ist es neutral, also elektrisch ungeladen. Besitzt es mehr Elektronen als Protonen, ist es negativ geladen; besitzt es weniger Elektronen als Protonen, ist es positiv geladen. Ein ursprünglich neutrales Objekt kann negativ geladen werden, indem man ihm Elektronen hinzufügt; durch Verringerung der Elektronenanzahl kann es positiv geladen werden.
