(ET1-18) Positive und negative Ladungsbewegung – Unterschiede

Nun schauen wir uns mal an, worin der Unterschied zwischen der Ladungsbewegung einer positiven sowie einer negativen Ladung besteht.

Für ein optimales Verständnis helfen dir in diesem Kursabschnitt drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET1-Grundlagen der Elektrotechnik

Ladungsbewegung – Definition

Merk’s dir!

“Unter der Ladungsbewegung einer positiven oder negativen Ladung versteht man eine Entfernung der Elektronen oder Protonen von ihrem ursprünglichen Ort innerhalb eines Leiters. Diese Bewegung kann dauerhaft oder vorübergehend sein. ”

Ladungsbewegung – Grundlagen

In elektrischen und metallischen Leitern können sich negative Ladungen weitestgehend frei bewegen.

Anders verhält es sich mit positiven Ladungen, diese sind in den meisten Fällen ortsgebunden und bewegen sich nicht. Der durch Ladungsungleichheiten verursachte Bewegungsdrang hebt sich auf, sobald die gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen vorliegt. Beide Ladungsarten haben sich in ihrer Wirkung auf.

Ladungsbewegung – Bewegung einer positiven Ladung

Schauen wir auf eine positive Ladung, so gilt:

$Q > 0 \text{ und } W_{pot} > 0$

$\longrightarrow$ Das Potential $\varphi$ der positiven Ladung ist gegenüber dem Bezugspotential positiv.

Demnach erhöht sich auch das Potential mit dem positiven Vorzeichen, wenn wir die Ladung nun mit einer äußeren Kraft W schrittweise weiter voneinander trennen.

$\varphi_0 < \varphi_1 < \varphi_2 < \varphi_3$

Merk’s dir!

Nehmen wir nun die äußere Kraft W wieder aus dem Spiel, so fällt das Potential kontinuierlich und gibt die elektrische Energie $W_{pot}$ komplett ab.

Somit findet eine Bewegung vom höheren zum niedrigeren Potential statt.

$\varphi_3 \rightarrow \varphi_2 \rightarrow \varphi_1 \rightarrow \varphi_0$

sowie

$W_{pot_3} \rightarrow W_{pot_2} \rightarrow W_{pot_1} \rightarrow W_{pot_0}$

Ladungsbewegung - Elektrisches Potential bei einer positiven Ladungstrennung — Ladungsbewegung – Elektrisches Potential bei einer positiven Ladungstrennung

Ladungsbewegung – Bewegung einer negativen Ladung

Als nächstes betrachten wir nun auch eine negative Ladung, wobei hier gilt:

$Q < 0 \text{ und } W_{pot} > 0$

$\longrightarrow$ Das Potential $\varphi$ der negativen Ladung ist gegenüber dem Bezugspotential negativ.

Wenn wir die Ladung nun mit einer äußeren Kraft W schrittweise weiter voneinander trennen, so erhöht sich auch das Potential, jetzt aber mit negativen Vorzeichen:

$\varphi_0 > \varphi_1 > \varphi_2 > \varphi_3$

Merk’s dir!

Nehmen wir nun die äußere Kraft $W$ erneut aus dem Spiel, so reduziert sich das negative Potential kontinuierlich und gibt die elektrische Energie $W_{pot}$ komplett ab.

Es findet eine Bewegung vom niedrigeren zum höheren Potential statt.

$\varphi_3 \rightarrow \varphi_2 \rightarrow \varphi_1 \rightarrow \varphi_0$

sowie

$W_{pot_3} \rightarrow W_{pot_2} \rightarrow W_{pot_1} \rightarrow W_{pot_0}$

Ladungsbewegung - Elektrisches Potential bei einer negativen Ladung — Ladungsbewegung – Elektrisches Potential bei einer negativen Ladung

Ladungsbewegung – Ladungsträgertrennung

Abschließend fassen wir unsere derzeitigen Erkenntnisse zusammen:

Sind bestimmte Umstände gegeben so ist es möglich Elektronen von einem Körper zu trennen und diese einem anderen Körper zuzuführen, welcher die Elektronen zusätzlich aufnimmt. Dadurch werden die Körper elektrisch geladen.

Du siehst geladen aus…

Entspricht die Anzahl der positiven Ladungen genau der Anzahl der negativen Ladungen, so ist der Körper elektrisch neutral.
Überwiegt die Anzahl der positiven Ladungen der Anzahl der negativen Ladungen, so ist der Körper elektrisch positiv geladen. – Es liegt ein Elektronenmangel vor.
Unterliegt die Anzahl der positiven Ladungen der Anzahl negativen Ladungen, so ist der Körper elektrisch negativ geladen. – Es liegt ein Elektronenüberschuss vor.

Insgesamt bleibt die Gesamtladung trotz Ladungstrennung jedoch erhalten.

Trennung positiver Ladungsträger

Wird auf einen elektrisch leitfähigen Körper eine positive Ladung mittels Ladungstrennung übertragen, so erhöht sich das elektrische Potential , wenn die Ladungstrennung fortschreitet. Nach der Wegnahme der äußeren Kraft, wird die Ladungstrennung verringert und das elektrische Potential des Körpers sinkt wieder.

Trennung negativer Ladungsträger

Ein elektrisch leitfähiger Körper, dem durch Ladungstrennung eine negative Ladung übertragen wird, senkt sein elektrisches Potential, wenn die Ladungstrennung fortschreitet. Wird die Ladungstrennung verringert, so erhöht sich das elektrische Potential des Körpers wieder.

Arten der Ladungstrennung

Eine Ladungstrennung findet im Normalfall durch zwei verschiedene Vorgänge auf. Wir unterscheiden

Mechanische Ladungstrennung (Energie nicht speicherbar)

und

Chemische Ladungstrennung (Energie speicherbar)

Mechanische Ladungstrennung (Generator)

Die mechanische Ladungstrennung findet vorrangig durch Reibung statt. Jedoch sei schon hier erwähnt, dass diese Vorgehensweise nur eine geringe Effektivität aufweist. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie nicht regelmäßig auftritt. Wir kennen diese Phänomen als elektrostatische Aufladung. Wahrscheinlich hat bereits jeder schon mal einen elektrischen Schlag abbekommen. Hier findet eine Ausgleich der Ladungstrennung statt.

Aufgepasst! Gefahr!

Für den Menschen ist dies beinahe immer unbedenklich, für elektronische Geräte hingegen kann eine elektrostatische Entladung Schäden verursachen, die dann zu einem Versagen des elektrischen Bauteils führen.

Daher gilt es empfindliche elektronische Bauteile dagegen ausreichend zu schützen.

Dynamos und Generatoren zählen übrigens auch zur Gruppe der mechanischen Ladungstrennung (Stichwort: Induktion)

Chemische Ladungstrennung (Autobatterie)

Ein Paradebeispiel für eine chemische Ladungstrennung stellt die Autobatterie dar. Er handelt sich hierbei um einen Akkumulator. Die elektrische Energie wird nach der Ladungstrennung mit Hilfe chemischer Prozesse gespeichert.

Wie funktioniert eine Autobatterie?

Die Autobatterie hat zwei nicht miteinander in Verbindung stehende Bleiplatten. Beide sind in Schwefelsäure mit einer festgelegten Konzentration getaucht. Dabei bildet sich an den Oberflächen infolge der Oxidation Bleisulfat ( $PbSO_4$ ).

Eine angelegte Spannung an beiden Polen führt dazu, dass die Autobatterie geladen wird. Und jetzt kommen wir zum Vorgang der Ladungstrennung.

An der Anode, also dem positiven Pol bildet sich Bleisulfat ( $PbSO_4$ ) und an der Kathode, also dem negativen Pol hingegen sammelt sich reines Blei an.

Im Zusammenwirken mit Wasser bildet sich zudem Schwefelsäure.

“Die Konzentration der Schwefelsäure gibt uns Auskunft darüber wie stark die Autobatterie geladen ist.”

Beim Ladungsausgleich, also dem Entladen, laufen die Vorgänge umgekehrt ab.

Was kommt als Nächstes?

Im nächsten Kurstext erklären wir dir ausführlich, wie eine Gebietsbestimmung bei Ladungsträgern aussieht.

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