Zunächst möchten wir uns wieder einen kurzen Überblick über die experimen­tellen Fakten verschaffen. Anschließend werden wir eine zusammen­hängende Beschreibung erarbeiten.

Wie so oft, beobachtet man zunächst gewisse Phänomene. Man wundert sich, weil man sie anfangs nicht versteht, aber mit der Zeit versucht man Beobach­tungen miteinander in Beziehung zu setzen und findet schließlich Gesetz­mäßig­keiten heraus.

Die ersten Erfahrungen über elektrische Phäno­mene gehen bis auf das antike Griechen­land zurück. Damals hat sich gezeigt, wenn man Bernstein reibt, kommt es zu eigen­artigen Erscheinungen. So werden zum Beispiel Dinge angezogen, von denen man es nicht für möglich gehalten hätte. Und so stellte man fest, dass sich Bernstein bei Reibung auflädt.

Ähnliche Beobach­tungen lassen sich auch heute machen, wenn man analog dazu ein Tierfell an einem PVC-Stab reibt. Aufgrund dessen können Kraft­wirkungen an Papier­schnipseln auftreten, sobald man den PVC-Stab in deren Nähe bringt.

Bei solchen qualitativen Beobach­tungen stellt sich immer die Frage, wie kann man das quantitativ unter­mauern? Um so etwas quanti­tativ zu messen, verwendet man Elektro­skope. Für solche Anwendungen gibt es das Faden-Elektroskop und das Drehzeiger-Elektro­meter. Bei letzterem kann man die Messung von elektrischen Ladungen unmittelbar an einer Skala ablesen.

Nun stellt sich die Frage, ob es nur „eine” Art von elektri­schen Ladungen gibt oder womöglich zwei Arten von elektri­schen Ladungen? Um das heraus­zufinden, kann man ein Elektro­meter mit einer gewissen Ladungs­menge vorladen, und anschließend beobachten was passiert, wenn man mit einer weiteren Ladung in die Nähe kommt. Wie verfällt sich der Drehzeiger in einem solchen Fall?

Würde man zum Beispiel jetzt mit einem Fell an einem Glasstab reiben, und diesen anschließend in die Nähe des bereits vorgeladenen Elektro­meters bringen, schwenkt der Drehzeiger nach unten. Würde man aber erneut den PVC-Stab reiben, würde jetzt bei Annäherung der Drehzeiger wieder nach oben schwenken. Offen­sichtlich gibt es zwei verschiedene Ladungen.

Um diese Frage noch deutlicher zu beant­worten, kann man jetzt mit einer Metall­kugel von einem geladenen Glasstab eine elek­trische Ladung auf ein zuvor entladenes Elektro­meter in mehreren Schritten über­tragen. Wenn man anschließend wieder zum PVC-Stab greift, und nun mit der Metall­kugel dessen Ladung auf das Elektro­meter übertragen möchte, zeigt sich, dass der Drehzeiger abnehmende Werte anzeigt. Durch die andere Polarität der Elektri­zität geht der Ausschlag des Zeigers somit wieder zurück. Damit lässt sich beweisen, dass es „zwei” Arten von Elektrizität gibt.

Die eine Art von Ladungen erhält ein positives Vorzeichen und die andere ein negatives Vorzeichen. Denn die eine Art von Ladungen kann die andere wieder wegkompen­sieren. Und seiner­zeit hatte Georg Chr. Lichten­berg Ende des 18. Jahrhunderts festgelegt, dass die Ladung die vom Glasstab kommt, ein positives Vorzeichen (+) erhält. Das war im Nach­hinein eine unglück­liche Fest­legung. Denn es hat sich später heraus­gestellt, dass die Elektri­zitäts­leitung in metal­lischen Leitern durch Elek­tronen hervor­gerufen wird, die in derartigen Leitern unter­wegs sind, sprich negativ geladene Ladungs­träger. Wären das aber, wie ursprünglich ange­nommen die positiven Ladungs­träger, dann würde die tatsäch­liche Bewegungs­richtung der Elektronen mit der technischen Strom­richtung zusammen­fallen. Und so bewegen sich die Elektronen in metal­lischen Leitern immer entgegen der Strom­richtung, wie man eigentlich vermuten würde. Dennoch blieb die seiner­zeit will­kürlich fest­gelegte Bezeichnung bis heute erhalten.

Welche Wechsel­wirkung ist zu erwarten, wenn zwei Körper, mit gleicher oder entgegen­gesetzter Ladung in die Nähe kommen?

Gleichnamig geladene Ladungen stoßen einander ab. Wogegen verschieden geladene Ladungen einander anziehen. Hierzu sei aller­dings bereits erwähnt, dass durch Reibung keine Ladung im eigent­lichen Sinne erzeugt wird. Sondern es kommt nur zu einer Ladungs­trennung. Wenn ein System insgesamt ungeladen ist, werden durch Reibung positive Ladungen auf einem Glasstab verstärkt. Somit bleiben die Ladungen in Summe erhalten. Das ist ein Hinweis darauf, dass die elek­trische Ladung eine „Erhaltungs­größe” ist, sprich Ladungen bleiben erhalten.

Wie verhält es sich aber generell mit den Ladungen? Sind sie irgendwo exponiert vor­handen oder befinden die sich immer auf irgend­welchen Körpern? Tatsäch­lich muss man einen Transport von Ladungen durch­führen. In der Elektro­statik spricht man deshalb auch gerne vom „Löffeln”. Das geschieht zum Beispiel mit Hilfe einer leitenden Kugel. Um einen Ladungs­transport durch­führen zu können, müssen die Körper grund­sätzlich leitfähig sein.

Wie verhält es sich mit der Kraft zwischen zwei geladenen Körpern?

Die Kraft­wirkung auf zwei elektrisch geladene Körper deutet an, dass ihre Wechsel­wirkungs­kraft propor­tional ist zur Ladung, die sich auf dem jewei­ligen Körper befindet.

Wie hängt die Kraft mit dem Abstand zweier geladener Körper zusammen?

Die Kraft­wirkung auf zwei elektrisch geladene Körper deutet an, dass bei einer Verdopplung des Abstandes die Kraft auf ein Viertel zurückgeht.

Damit ergeben sich zwei wichtige Abhängigkeiten:

Die Kraft­wirkung zwischen geladenen Körpern, die klein sind gegen­über ihrem Abstand, beispiels­weise Punkt­ladungen, sind einer­seits propor­tional zur Ladung auf den Köpern und propor­tional zum Reziprok Wert des Abstands­quadrates.

Oder anders ausge­drückt, ist die Wechsel­wirkungs­kraft zwischen zwei Punkt­ladungen propor­tional zur Größe der Ladung auf jeder dieser Punkt­ladungen. Und sie ist verkehrt propor­tional zum Quadrat des Abstandes zwischen diesen Punkt­ladungen.

Daraus ergibt sich für zwei Ladungen
das berühmte Coulomb-Gesetz:

q_₁ , q_₂   sind die Ladungen
r         ist der Abstand
1/4π · η_₀   ist ein Proportionalitäts­faktor

Der Proportionalitäts­faktor hängt davon ab, in welchen Einheiten man die Ladungen misst.

Wenn es um elektrische Ströme geht, mit entsprechend höheren Ladungen, wählt man eine Einheit, die zusammen­hängt mit der Größe η_₀.

η_₀   ist die elektrische Feldkonstante

Diese universelle elektrische Feld­konstante legt im Wesent­lichen die Einheit der elektri­schen Ladung fest. Auf Grundlage der SI-Einheiten definiert man sich die Einheit der elektri­schen Strom­stärke. Hierzu betrachtet man zwei parallele strom­durch­flossene Leiter, die sich mit einer gewissen Kraft anziehen. Wenn diese Kraft einen bestimmten Wert hat, fließt eine Strom­stärke von 1 Ampere jeweils durch jeden der beiden Leiter. Wenn man auf diese Weise die Strom­einheit festlegt, ergibt sich daraus eine Ladungs­einheit. Wird diese Einheit dann im Coulomb-Gesetz verwendet, ergibt sich die Größe η_₀ mit einem bestimmten Wert.

Und so erhält man als Wert für die elektrische Feldkonstante:

C   ist die Ladungseinheit Coulomb

Wenn man nun diesen Wert für die Feld­konstante entsprechend in obige Beziehung einsetzt, ergibt sich für zwei Ladungen im Abstand von 1 Meter:

Das ist eine beachtlich hohe Zahl. Mit anderen Worten, eine Gewichts­kraft von 10⁶ to wird mit der gleichen Kraft zur Erde gezogen wie die Wechsel­wirkungs­kraft zwischen zwei Ladungen im Abstand von 1 Meter. Man wählt eine derart hohe Ladungs­einheit, weil bei den elektri­schen Strömen einige Ampere fließen. Und 1 Ampere ist ein Stromfluss, bei dem pro Sekunde 1 Coulomb durch einen Leiter­querschnitt hindurchtritt.

Zum Glück fließen derartig große Ladungen nicht unmittel­bar durch unsere Strom­leitungen im Haus­halt. Denn in einem solchen metal­lischen Leiter gibt es nicht nur die Elek­tronen, sondern auch die „positiven” Atom­kerne. Und diese beiden gleichen einander jeweils aus. Wenn demnach so 1 Ampere durch einen metal­lischen Leiter hindurch­fließt, ist gleich­zeitig so viel positive Ladung in dem Leiter vorhanden, das sich die Gesamt­ladung der fließenden Elektronen und der entspre­chenden Atom­kerne wieder komplett ausgleicht. Daher ist ein solcher Leiter nach außen hin ungeladen.

Aufgrund dessen ergibt sich für die elektrische Elementarladung:

Wenn man zum Beispiel in einem elektri­schen Feld in einem Platten­kondensator einen „Öltröpfchen­nebel” anordnet, dann treten die Ladungen auf den Tröpfchen nur „quantenhaft” auf. Auf den Tröpfchen tritt nur ein gewisses Vielfaches eines bestimmten Elementar­ladungs­quantums auf. Aufgrund dessen konnte man fest­stellen, wie groß dieses elek­trische Elementar­ladungs­quantum ist.

Elektrische Ladungen treten somit nur als Vielfaches einer Elementar­ladung auf. Und diese Elementar­ladung ist letzten Endes nichts anderes als „eine” Eigen­schaft von Elementar­teilchen. Diese Elementar­teilchen haben entweder „keine”, oder eine „positive” bzw. eine „negative” Ladung.

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