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Physik - Klasse11 Elektrische Grunderscheinung Seite:
Die Elektrostatik
Einführung
Vorbemerkung
Das Wort Elektrizität ist aus der griechischen Vokabel elektron (Bernstein) entstanden. Schon Thales (640 v. u. Z) kannte die Eigenschaften des Bernsteins, nach Reiben mit einem Tuch kleine Körperchen. ... Obwohl die Entstehung des Wortes Elektrik schon über zweieinhalbjahrtausend zurückliegt, wurde die Erkenntnisse für den Aufschwung der Elektrotechnik, erst im 19. und 20. Jahrhundert gewonnen. Um das Jahr 1800 erfand der italienische Physiker Volta die chemische Spannungsquelle - Voltasche Säule - einen Vorgänger unserer heutigen Akkumulatoren und Trockenbatterien. Erstmalig gelang es damit, technisch nutzbare Gleichströme zu erzeugen. ... Oerstedt fand 1820 die magnetische Wirkung des Stromes heraus, und 1831 entdeckte Faraday das Induktionsgesetz. 1865 begründete Maxwell die Theorie des Elektromagnetismus und sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, die 1889 von Heinrich Hertz experimentell nachgewiesen wurden.
(Aus Leitfaden der Physik S. 194)
Was ist Elektrostatik?
Wenn wir davon ausgehen, dass die Statik in der Mechanik die Lehre vom Gleichgewicht der Kräfte ist, so können wir schon einmal schlussfolgern, dass sich auch in der Elektrik etwas im Gleichgewicht befinden wird. Aus unseren Erfahrungen wissen wir zwar, worum es sich handelt, doch wollen wir uns schrittweise vorarbeiten. Wir geben zuerst eine Definition.
Elektrostatik ist die Lehre vom Verhalten ruhender Ladungen auf einen Körper.
Nun ist in dieser Erklärung gleich ein weiterer unbekannter Begriff, über den wir uns Klarheit verschaffen wollen. Dieses ist die Ladung.
Ladungen
Zuvor soll in Eigenarbeit die unbekannten Wörter erschlossen werden. Hier eine kleine Hilfe:
der Holunder,
der Holunderbusch,
der Zelluloidstab,
das Zelluloidlineal,
der Bernstein,
es wird Arbeit entgegen der Reibung verrichtet,
das Elektroskop,
die elektrische Erscheinung,
das geladene Teilchen,
der Träger der elektrischen Ladung ist .... ,
frei beweglich,
Elektronen sind frei beweglich,
Einige experimentelle Veranschaulichungen:
Wir reiben einen Zelluloidstab und hängen in an einem Faden auf. Bei Annäherung eines anderen geriebenen Zelluloidstabes an ihn, vollführt er eine weggerichtete Drehbewegung. Eine hergerichtete Drehbewegung erreichen wir, wenn wir uns dem aufgehängten Zelluloidlineal mit einem geriebenen Glasstab nähern.
Eine weitere Beobachtung die wir anstellen können, ist die Anziehung von Papierschnipseln durch einen geriebenen Glasstab.
Das Elektroskop, bestehend aus zwei aufgehängten Holunderwürfeln, wird durch den Zelluloidstab angezogen, dagegen wird es vom Glasstab abgestoßen.
Wir bezeichnen die gemachten Erfahrungen als elektrische Erscheinung. Die Ursachen aller elektrischen Erscheinungen ist die elektrische Ladung. Sie ist eine grundlegende Qualität der Teilchen. In der Natur existieren verschiedene Ladungen und wir bezeichnen sie als positiv bzw., negativ.
Eine Ladung ist negativ, wenn sie die gleiche Ladung wie der geriebene Zelluloidstab besitzt.
Im nächsten Schritt betrachten wir den Aufbau der Atome. Das Atom ist elektrisch neutral, aber der innere Kern ist positiv /Proton/ geladen und da herum kreisen die Elektronen.
Das Elektron ist negativ geladen und ist zudem der kleinste Ladungsträger. Dagegen kennen wir noch das Positron, was faktisch in freier Natur kaum existiert, und das Proton als Träger positiver Ladung. Elektrisch neutral verhält sich das Neutron.
Festkörper aber auch Flüssigkeiten bestehen aus positiven Ionen und den sich dazwischen bewegenden Elektronen bzw. dem negativen Säurerest.
Beispiel: Kupfer: Kupferion und das Elektron Cu+ + -
Schwefelsäure H2SO4 : Positive Wasserstoffion und den negativen Säurerest 2H+ + SO42-
Wir merken uns weiterhin.
Zwischen unterschiedlich geladenen Teilchen besteht eine Anziehungskraft, gleich geladene Teilchen stoßen sich ab.
In elektrischen Leitern betrachten wir die Elektronen als frei beweglich.
Was passiert beim Aufladen von Gegenständen?
Die Ladungen, d.h. die frei beweglichen Elektronen wandern im Leiter und können so auf einen anderen Körper übertragen werden. Dadurch entstehen positiv bzw. negativ geladene Körper.
Ladungen sind an einen Körper gebunden. In der Gesamtheit sind die Ladungen nicht zu zerstören.
Es gilt der Satz von der Erhaltung der elektrischen Ladung: Die Summe aller elektrischen Ladungen in einem abgeschlossenen System ist konstant.
Im Gegensatz zum Magnetismus können die positiven und negativen elektrischen Ladungen in verschiedenen Körpern auftreten, das bedeutet, elektrischen Ladungen sind trennbar. Den dazugehörigen Vorgang bezeichnen wir als Ladungstrennung.
Elektrische Ladungen und Erscheinungen können besonders gut an metallischen Festkörpern (oft als Leiter eingesetzt) bzw. an Flüssigkeiten, den sogenannten Elektrolyten, nachgewiesen werden, da sich dort die Elektronen frei bewegen. Dagegen ist bei den Nichtleiter (Isolatoren) die Bewegungen der Elektronen gehemmt.
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Hier nun eine kleine Aufgabe:
Lb. S 44 Nr.2
Wieviele sich frei bewegende Elektronen gibt es in einem Quader aus Silber mit einem Volumen von 1 cm3 ? Die Dichte von Silber beträgt 10,5 g/cm3, die Atommasse ist 108, die Wertigkeit ist 1.
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Was brauchen wir zur Lösung dieser Aufgabe?
Begriffe:
der Quader - ein regelmäßiger Körper mit rechteckigen Grundflächen,
die relative Atommasse - Masse von NA Molekülen,
NA - die Avogadrosche Zahl,
Bei der Wertigkeit gibt es verschiedene Möglichkeiten der Begriffsklärung, die sich vor allem aus der Chemie ergeben. Da wären zum Beispiel:
die Wertigkeit - (Valenz), je nach Anwendung unterschiedlich definierte Kenngröße zur Bestimmung der Anzahl Atome, Atomgruppen oder Ionen, mit der sich ein gegebenes Atom (Atomgruppe, Ion) chemisch verbindet.
Die Bindigkeit (Atomwertigkeit) ist gleich der Anzahl der von dem betroffenen Atom ausgehenden bindenden Elektronenpaare (Valenzstriche), z. B. sind die Sauerstoffatome im O=O-Molekül 2-bindig.
Die elektrochemische Wertigkeit (Ionenwertigkeit) ist mit der Ladung des betreffenden bzw. Ions identisch, so ist im Magnesiumoxid MgO, bestehend aus Mg2+- und O2-‑Ionen, das Magnesium positiv, der Sauerstoff negativ 2-wertig.
Elektroskope zeigen das Vorhandensein von elektrischen Ladungen durch Spreizen der Schenkel an, an deren Ende z. B. ein Holunderwürfel befestigt ist.
L Ö S U N G E N
Lb. S. 44 Nr. 2
Wie viele sich frei bewegende Elektronen gibt es in einem Quader aus Silber mit einem Volumen von 1 cm3 ? Die Dichte von Silber beträgt 10,5 g/cm3, die Atommasse ist 108, die Wertigkeit 1.
Berechnung:
geg.: V = 1 cm3 ges.: N
ρ = 10,5 g/cm3
M = 108 g/mol
NA = 6,022 1023
Wertigkeit = 1
Lösung:
1
Die Anzahl der sich frei bewegenden Elektronen in einem 1 cm3 Silber beträgt bei der Wertigkeit 1 5,83 1022+
.doc angefertigt: 1995.I.25, Norbert Burmeister konvertiert:2005.II.02
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