Elektrische Ladung

Ladung ist die Grundgröße der Elektrotechnik: Ohne sie gäbe es weder Spannung noch Strom. Sie steckt in jedem Elektron und Proton und zeigt sich, sobald Plus und Minus nicht mehr im Gleichgewicht sind – beim knisternden Pullover genauso wie im Kondensator oder Akku.

Positive und negative Ladung

Es gibt genau zwei Arten von Ladung, die man willkürlich positiv und negativ nennt. Protonen tragen positive, Elektronen negative Ladung, beide vom gleichen Betrag. Ein Körper gilt als geladen, wenn er mehr Elektronen hat als Protonen (negativ) oder weniger (positiv). Dabei wandern fast immer Elektronen; die positiven Kerne bleiben an ihrem Platz.

Zwischen Ladungen wirken Kräfte:

• Gleichnamige Ladungen (+ und + oder − und −) stoßen sich ab.
• Ungleichnamige Ladungen (+ und −) ziehen sich an.

Ladung kann weder erzeugt noch vernichtet werden, nur getrennt und verschoben. Reibst du einen Kunststoffstab an Wolle, wechseln Elektronen von der Wolle auf den Stab: Der Stab wird negativ, die Wolle genau gleich stark positiv. Das ist der Ladungserhaltungssatz.

Getrennte, ungleichnamige Ladungen streben nach Ausgleich: Die überzähligen Elektronen der einen Seite wollen dorthin, wo Elektronen fehlen. Verbindest du beide Seiten über einen Leiter, fließen sie hinüber – das ist ein elektrischer Strom, und er hört auf, sobald der Unterschied ausgeglichen ist.

Formelzeichen und Einheit

Das Formelzeichen der Ladung ist Q, ihre Einheit das Coulomb (C), benannt nach Charles-Augustin de Coulomb. Ein Coulomb ist die Ladung, die bei einem Strom von 1 A in 1 s durch einen Leiterquerschnitt fließt:

Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung:

Seit der SI-Reform 2019 ist dieser Wert exakt festgelegt, und das Ampere ist über ihn definiert (siehe SI-Einheiten). Umgekehrt bedeutet das: 1 C entspricht rund 6,24 · 10¹⁸ Elektronen.

Kraft zwischen Ladungen: das Coulombsche Gesetz

Die Kraft zwischen zwei punktförmigen Ladungen Q₁ und Q₂ im Abstand r wächst mit beiden Ladungen und fällt mit dem Quadrat des Abstands:

Die elektrische Feldkonstante ε₀ ≈ 8,854 · 10^-12 As/Vm macht den Vorfaktor zu rund 9 · 10⁹ Vm/As. Das ist enorm: Zwei Ladungen von je 1 C in 1 m Abstand würden sich mit etwa 9 Milliarden Newton abstoßen. In der Praxis begegnen dir daher nur winzige Bruchteile eines Coulombs als ruhende, getrennte Ladung.

Wie Ladungen über eine Entfernung wirken, beschreibt das elektrische Feld.

Influenz und Ladungstrennung

Bringst du einen geladenen Körper in die Nähe eines ungeladenen Metallstücks, verschieben sich dessen freie Elektronen: Auf der zugewandten Seite sammelt sich Gegenladung, auf der abgewandten Seite bleibt gleichnamige Ladung zurück. Diese Ladungsverschiebung ohne Berührung heißt Influenz. Sie erklärt, warum ein geladener Kamm Papierschnipsel anzieht und warum ein Metallgehäuse elektrische Felder abschirmt.

Nachweisen lässt sich Ladung mit einem Elektroskop: An einem Metallstab in einem geerdeten Gehäuse hängt ein leichter, drehbarer Zeiger. Berührst du die Kontaktplatte oben mit einem geladenen Körper, verteilt sich dessen Ladung über Stab und Zeiger. Beide tragen nun gleichnamige Ladung, stoßen sich ab, und der Zeiger schlägt aus – umso weiter, je größer die Ladung. Ob sie positiv oder negativ ist, zeigt der Ausschlag allein nicht.

Getrennte Ladung kannst du gezielt speichern: Ein Kondensator hält auf seinen beiden Platten gleich große, entgegengesetzte Ladungen. Seine Kapazität C gibt an, wie viel Ladung pro Volt hineinpasst:

Ein 100-µF-Elko an 12 V hält also Q = 100 · 10^-6 F · 12 V = 1,2 mC. Wie er sich dabei auflädt, steht unter Kondensator im Gleichstromkreis.

Elektrostatische Entladung (ESD)

Beim Gehen über Teppich oder beim Aufstehen vom Bürostuhl lädt sich dein Körper leicht auf mehrere Kilovolt auf. Die Ladung ist klein – dein Körper hat eine Kapazität von grob 100 bis 200 pF –, aber beim Berühren eines Bauteils entlädt sie sich in wenigen Nanosekunden. Die Stromspitze kann mehrere Ampere erreichen.

Selbsttest