Elektrische Ladung

Eine elektrische Ladung ist eine physikalische Größe und Eigenschaft von Materie, die bewirkt, dass sie eine Kraft erfährt, wenn sie in ein elektromagnetisches Feld gebracht wird. Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung: positiv, übertragen von Protonen, und negativ, übertragen von Elektronen. Wenn die Gesamtladung Null ist, wird sie als neutral bezeichnet. Gleiche Ladungen werden abgestoßen und entgegengesetzte Ladungen angezogen. Diese Tatsachen sind als das Erste Gesetz der Elektrostatik bekannt und werden manchmal als das Gesetz der elektrischen Ladungen bezeichnet.

Elementarladung

Die grundlegendste Ladungseinheit ist die Größe der Ladung eines Elektrons oder eines Protons, die mit e bezeichnet wird. Der genaueste verfügbare Wert ist:

e = 1,602176487 x 10 ^-19 C

Ein Coulomb repräsentiert das Negative der Gesamtladung von etwa 6 x 10 ¹⁸ Elektronen.

Ladungen, die so groß wie ein Coulomb sind, kommen selten vor. Die Ladungen, die durch das Reiben gewöhnlicher Gegenstände (z. B. eines Kammes oder eines Plastiklineals) entstehen, liegen in der Regel bei einem Mikrocoulomb (?C = ^10-6 C) oder weniger. Bei einer gewöhnlichen 100-W-Glühlampe beispielsweise treten pro Sekunde etwa 10 ¹⁹ Elementarladungen in die Glühbirne ein und ebenso viele wieder heraus.

Das Proton hat Ladung + e und Elektron – e . Die Ladung ist quantisiert; Es kommt in ganzzahligen Vielfachen einzelner kleiner Einheiten vor, die als The bezeichnet werden Grundgebühr, eDies ist die kleinste Ladung, die frei existieren kann (Teilchen, die Quarks genannt werden, haben kleinere Ladungen, Vielfache von ⅓ e, aber sie kommen nur in Kombination vor und verbinden sich immer zu Teilchen mit ganzer Ladung). Das Proton hat eine Quark-Zusammensetzung von uud, und daher ist seine Ladungsquantenzahl:

q(uud) = 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1e.

Das Neutron hat eine Quarkzusammensetzung von Udd, und seine Ladungsquantenzahl ist daher:

q(udd) = 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0

Da das Neutron keine elektrische Nettoladung hat, wird es nicht von elektrischen Kräften beeinflusst, aber das Neutron hat eine leichte Verteilung der elektrischen Ladung in sich. Dies wird durch seine interne Quarkstruktur verursacht. Dies führt zu einem von Null verschiedenen magnetischen Moment (Dipolmoment) des Neutrons. Daher wechselwirkt das Neutron auch über elektromagnetische Wechselwirkung, aber viel schwächer als das Proton.

Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung

In der Physik gibt es zwei sehr wichtige Prinzipien bezüglich der elektrischen Ladung.

Das erste ist das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung . Dieses Gesetz besagt:

Die algebraische Summe aller elektrischen Ladungen in jedem abgeschlossenen System ist konstant.

Die einzige Möglichkeit, die Nettoladung eines Systems zu ändern, besteht darin, Ladung von einer anderen Stelle einzubringen oder eine Ladung aus dem System zu entfernen. Die Ladung kann erzeugt und zerstört werden, aber nur in positiv-negativ-Paaren.

Ladungserhaltung gilt als universelles Erhaltungsgesetz . Es wurden nie experimentelle Beweise für eine Verletzung dieses Prinzips beobachtet. In der Teilchenphysik bedeutet Ladungserhaltung, dass bei Elementarteilchenreaktionen, die geladene Teilchen erzeugen, immer gleich viele positive und negative Teilchen erzeugt werden, wodurch die Nettoladungsmenge unverändert bleibt . Selbst bei hochenergetischen Wechselwirkungen, bei denen Teilchen entstehen und zerstört werden, wie etwa bei der Bildung von Positron-Elektron-Paaren , ist die Gesamtladung jedes abgeschlossenen Systems exakt konstant.

Der zweite wichtige Grundsatz lautet:

Die Größe der Ladung des Elektrons oder Protons ist eine natürliche Ladungseinheit.

Wir sagen, dass die Ladung quantisiert ist. Das heißt, jede beobachtbare Menge an elektrischer Ladung ist immer ein ganzzahliges Vielfaches dieser Grundeinheit. Diese Einheit wird als Elementarladung , e , bezeichnet und entspricht ungefähr 1,602 × 10 ⁻¹⁹ Coulomb (mit Ausnahme von Teilchen, die als Quarks bezeichnet werden und Ladungen haben, die ganzzahlige Vielfache von 1⁄3 e sind).

Elektrische Ladung von Antiteilchen

Theoretisch haben ein Teilchen und sein Antiteilchen (z. B. ein Proton und ein Antiproton) die gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und andere Unterschiede in den Quantenzahlen. Beispielsweise gibt es für jedes Quark eine entsprechende Art von Antiteilchen. Die Antiquarks haben die gleiche Masse, mittlere Lebensdauer und den gleichen Spin wie ihre jeweiligen Quarks, aber die elektrische Ladung und andere Ladungen haben das entgegengesetzte Vorzeichen. Das bedeutet, dass ein Proton positiv geladen ist, während ein Antiproton negativ geladen ist und sie sich daher anziehen. Das Antiteilchen des Elektrons heißt Positron; es ist identisch mit dem Elektron, außer dass es elektrische und andere Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen trägt. Wenn ein Elektron mit einem Positron kollidiert, können beide Teilchen vollständig vernichtet werden, wodurch Gammastrahlenphotonen erzeugt werden.

Beispiel: Elektrische Ladung

Bemerkenswerterweise gibt es in vier Litern Wasser etwa 2,1 x 10 ⁸ C Gesamtelektronenladung. Wenn wir also zwei Flaschen einen Meter voneinander entfernt platzieren, stoßen die Elektronen in der einen Flasche die in der anderen Flasche mit einer Kraft von 4,1 x 10 ²⁶ N ab. Diese enorme Kraft ist vergleichbar mit der Kraft, die der Planet Erde wiegen würde, wenn er gewogen würde auf einer anderen Erde. Aber wie geschrieben wurde, gibt es auch positive (Protonen) und diese Ladungen neigen dazu, sich gegenseitig aufzuheben.