Strom

Elektrische Ladung

Elektrische Ladung

Eine elektrische Ladung (die Menge an Elektrizität) ist eine physikalische skalare Größe, die die Fähigkeit von Körpern bestimmt, eine Quelle elektromagnetischer Felder zu sein und an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilzunehmen. Die erste elektrische Ladung wurde 1785 in Coulombs Gesetz eingeführt.

Die Ladungseinheit im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Coulomb: eine elektrische Ladung, die 1 s lang mit einem Strom von 1 A durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Die Belastung eines Coulomb ist sehr groß. Würden zwei Ladungsträger (q 1 = q 2 = 1 C) in einem Abstand von 1 m unter Vakuum gesetzt, so würden sie mit einer Kraft von 9 · 10 9 H, also mit der Kraft, mit der die Schwerkraft wirkt, zusammenwirken Die Erde zieht ein Objekt an, das ungefähr 1 Million Tonnen wiegt.

Die elektrische Ladung in der Natur tritt unseres Wissens nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung e auf. Es ist gleich der Protonenladung und hat einen Wert von 1.602 176 53 × 10 -19 C. Das Elektron hat genau die gleiche Ladung, ist dann aber negativ. Lasten, die kein Vielfaches von e sind, treten nur in Quarks auf. Dies sind Elementarteilchen, deren Ladung ein Vielfaches von e / 3 ist, die aber im Gegensatz zu Protonen und Elektronen nie getrennt beobachtet wurden.

Die Quantisierung der elektrischen Ladung

Wenn Quarks nicht berücksichtigt werden, wurde kein Objekt mit einer Ladung entdeckt, die niedriger als die des Elektrons ist. Aus diesem Grund wird der Wert seiner Ladung als die grundlegende Einheit der elektrischen Ladung angesehen, und alle Ladungsmengen sind Vielfache der Ladung von Elektronen Nach dem Standardmodell der Physik sind die kleinsten Teilchenladungen jedoch ± e / 3, ± 2 e / 3 und ± e: Beispielsweise hat der absteigende Quark eine Ladung - e / 3, der aufsteigende Quark hat eine Ladung 2 und / 3, während seine Antiteilchen entgegengesetzte Ladungen haben.

Die anderen Quarks mit größerer Masse weisen in jedem Fall Ladungen ± und / 3 oder ± 2 und / 3 auf. Obwohl Quarks eine elektrische Ladung tragen, erfordert die Beobachtung eines freien Quarks eine extrem hohe Energie, die kürzlich in Reichweite von liegt Teilchenbeschleuniger aufgrund der hohen Intensität der starken Kernwechselwirkungen, die sie zusammenhalten. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein eines Plasmas von freien Quarks und Gluonen bei ungefähr 150 GeV, ungefähr 1 × 10 12 K; Physiker versuchen dies zu erreichen, indem sie mit Energien von ungefähr 100 GeV pro Nukleon auf schwere Kerne wie Gold treffen.

Zusätzlich zur elektrischen Ladung können wir auch eine Farbladung definieren, die eine zusätzliche Quantenzahl einführt, mit der Quarks und Gluonen zusammen mit dem Geschmack in der Theorie der Quantenchromodynamik beschrieben werden.

Das Elektron

Das Elektron ist ein subatomares Teilchen mit einer Ruhemasse von 9.109.3826 (16) × 10 –31 kg, was ungefähr 1/1836 der des Protons entspricht. Der intrinsische Drehimpuls oder Spin ist ein halb-ganzzahliger Wert von 1/2 in Einheiten von ħ, der das Elektron zu einer Fermion macht und daher dem Pauli-Ausschlussprinzip unterliegt. Das Antiteilchen des Elektrons ist das Positron, das sich nur in der entgegengesetzten elektrischen Ladung unterscheidet; Wenn diese beiden Teilchen kollidieren, können sie diffus sein oder vernichtet werden und Photonen erzeugen, genauer gesagt Gammastrahlen.

Die Idee einer grundlegenden Menge elektrischer Ladung wurde 1838 vom Philosophen Richard Laming eingeführt, um die chemischen Eigenschaften des Atoms zu erklären. Der Begriff Elektron wurde später im Jahr 1894 vom irischen Physiker George Johnstone Stoney geprägt und von Joseph John Thomson und seiner Forschungsgruppe als Teilchen erkannt. Später demonstrierte sein Sohn George Paget Thomson die Doppelkorpuskular- und Wellennatur des Elektrons, die dann durch die Quantenmechanik durch den Welle-Teilchen-Dualismus beschrieben wird.

Elektronen sind zusammen mit Protonen und Neutronen Teile der Struktur von Atomen, und obwohl sie weniger als 0,06% zur Gesamtmasse des Atoms beitragen, sind sie für ihre chemischen Eigenschaften verantwortlich; Insbesondere der Austausch von Elektronen zwischen zwei oder mehr Atomen ist die Quelle der kovalenten chemischen Bindung.

Die meisten Elektronen im Universum wurden während des Urknalls erzeugt, obwohl dieses Teilchen durch den Beta-Zerfall von radioaktiven Isotopen und bei Kollisionen mit hoher Energie erzeugt werden kann, während es dank der Kollision mit dem Positron und dem Positron vernichtet werden kann absorbiert in einem Prozess der stellaren Nukleosynthese.

In vielen physikalischen Phänomenen, insbesondere im Elektromagnetismus und in der Festkörperphysik, spielt das Elektron eine wesentliche Rolle: Es ist verantwortlich für die Leitung von elektrischem Strom und Wärme, seine Bewegung erzeugt das Magnetfeld und die Variation seiner Energie ist verantwortlich für Photonenproduktion

Das Aufkommen der Elektronik, in der die Informatik geboren wurde, setzt das Elektron an die Basis der technologischen Entwicklung des 20. Jahrhunderts. Seine Eigenschaften werden auch in verschiedenen Anwendungen wie Kathodenstrahlröhren, Elektronenmikroskopen, Strahlentherapie und Lasern ausgenutzt.

Das Elektron gehört auch zur Klasse der subatomaren Teilchen, die Leptonen genannt werden und als wesentliche Bestandteile der Materie gelten (dh sie können nicht in kleinere Teilchen zerlegt werden).

Elektrostatik

Die Elektrostatik ist der Abschnitt der Elektrizitätslehre, der die Wechselwirkungen und Eigenschaften elektrischer Ladungssysteme untersucht, die im Verhältnis zum gewählten Trägheitsreferenzrahmen unbeweglich sind.

Die Größe der elektrischen Ladung (ansonsten einfach eine elektrische Ladung) kann positive und negative Werte annehmen; Es ist ein numerisches Merkmal von Ladungsträgern und geladenen Körpern. Dieser Wert wird so bestimmt, dass die Wechselwirkung der vom Feld zwischen den Ladungen übertragenen Kraft direkt proportional zur Größe der Ladungen ist, die miteinander in Wechselwirkung treten, sowie zu den Richtungen der von der Seite auf sie einwirkenden Kräfte des elektromagnetischen Feldes hängen vom Vorzeichen der Ladungen ab.

Die elektrische Ladung eines Körpersystems besteht aus einer ganzen Zahl von Elementarladungen, die im SI-System ungefähr 1,6 × 10 –19 C oder 4,8 × 10 –10 Einheiten entsprechen. SSSE Elektrische Ladungsträger sind elektrisch geladene Elementarteilchen. Die kleinste Masse im freien Teilchen mit negativer elementarer elektrischer Ladung ist ein Elektron (seine Masse beträgt 9.11⋅10 −31 kg). Das kleinste massestabile Antiteilchen mit einer positiven Elementarladung ist ein Positron, das die gleiche Masse wie ein Elektron hat. Es gibt auch ein stabiles Teilchen mit einer positiven Elementarladung: ein Proton (die Masse beträgt 1,67 × 10 –27 kg) und andere weniger verbreitete Teilchen. Es wurde die Hypothese (1964) aufgestellt, dass es auch Teilchen mit einer geringeren Ladung (± ⅓ und ± ⅔ der Elementarladung) gibt - Quarks; Sie sind jedoch nicht im freien Staat isoliert (und

Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens ist immer eine relativistische Größe. Es hängt nicht vom Bezugsrahmen ab, was bedeutet, dass es nicht davon abhängt, ob sich diese Ladung bewegt oder ruht. Es ist inhärent für dieses Teilchen während seiner gesamten Lebensdauer. Daher werden elementar geladene Teilchen oft mit ihren elektrischen Ladungen identifiziert. Im Allgemeinen gibt es in der Natur sowohl negative als auch positive Ladungen. Die elektrischen Ladungen von Atomen und Molekülen sind gleich Null, und die Ladungen von positiven und negativen Ionen in jeder Zelle der kristallinen Festkörpernetzwerke werden kompensiert.

Spannung und Kapazität elektrischer Ladungen

Die geladenen Teilchen gleicher Polarität stoßen sich mit einer Kraft ab, die quadratisch zunimmt, wenn der Abstand zwischen den Teilchen abnimmt. Wenn einem Leiter geladene Teilchen hinzugefügt werden, verringert sich der Abstand zwischen den Teilchen, sodass mehr und mehr Energie pro Ladungseinheit benötigt wird, um zusätzliche Ladung hinzuzufügen. Dies ist das Potential oder die Spannung dieses Leiters, ausgedrückt in Volt (V). Ein Fahrer, der viel Last pro Volt aufnimmt, hat eine hohe Kapazität. Diese Fähigkeit hängt natürlich von den Dimensionen dieses Fahrers ab.

Spezielle Konstruktionen wurden entwickelt, um so viel Ladung wie möglich pro Volt zu speichern. Diese Komponenten werden Kondensatoren genannt. Sie nutzen die Anziehungskraft zwischen Partikeln mit entgegengesetzter Ladung in zwei eng beieinander liegenden Leitern, um die Abstoßungskraft von Partikeln mit gleicher Ladung in jedem Leiter zu beseitigen.

Die Ladung kann auch in einer vom Boden isolierten Metallkugel gespeichert werden (wie im Vandigra-Generator). Wenn die Ladung jedoch zu groß wird, treten aufgrund der Ionisation Luftlecks auf, die bei ausreichender Ladung von Funken begleitet sein können. Die maximale Ladungsmenge (und damit auch die elektrische Spannung) in einer elektrisch leitenden Kugel hängt linear von der Größe (Durchmesser) dieser Kugel ab. Wenn die Kugel vergrößert wird, erhöht sich die Gefahr für den Menschen, da die Entladung zu großen Strömen führen kann. Bei einem elektrischen Strom von mehr als 100 mA durch den Herzmuskel eines Menschen ist das Risiko eines Herzstillstands hoch.

Kräfte zwischen elektrischen Ladungen

Das Coulombsche Gesetz drückt die Anziehung oder Abstoßung ruhender Gegenstände in Form einer Formel aus. Elektrische Ladungen verursachen elektrische Felder, unabhängig von ihrem Bewegungszustand. Die Kräfte zwischen stationären Ladungen werden in der Elektrostatik untersucht. Sich bewegende elektrische Ladungen verursachen auch ein Magnetfeld; Dieses Feld breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und beeinflusst wiederum die anderen Mobilladungen. Ein Magnetfeld übt nämlich eine Kraft lorentz auf eine Ladung aus, die die Richtung des Feldes kreuzt, die sowohl zur Richtung des Feldes als auch zur Richtung der Bewegung senkrecht ist. Dies ist die Ursache für das nach dem Faradayschen Gesetz beschriebene Induktionsphänomen und auch für einen Kompressionseffekt auf die Ladungsträger mit gleichem Vorzeichen, die sich in die gleiche Richtung bewegen.

Sowohl Anziehung als auch elektrostatische Abstoßung und Lorentzkraft sind in Maxwells breiten Gleichungen des Elektromagnetismus enthalten.

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Geändert am: 30. August 2019