Gravitation und elektromagnetische Kraft im Vergleich

Was haben Elektronen und Skifahrer*innen gemeinsam? Kein Witz: Die Bewegung von Ladungen im Stromkreis ist vergleichbar mit den Fahrten der Skifahrer*innen am Berg.

Arbeitsmittel

Dieser Berg hat Potential

Die elektromagnetische Wechselwirkung

Die elektromagnetische Kraft (= Wechselwirkung) hat genau wie die Gravitation eine unendliche Reichweite und sie spielt auch im täglichen Leben eine entscheidende Rolle. Die Mehrheit der Kräfte in der klassischen Physik von Oberflächenspannung bis Reibung, chemische Reaktionen, optische Phänomene, Magnetismus, Blitze, … und natürlich auch all unsere alltäglichen Anwendungen, die elektrische Energie brauchen, lassen sich durch elektromagnetische Wechselwirkungen erklären.

Elektrische Energie

Es gibt viele verschiedene Formen von Energie, die alle ineinander umwandelbar sind.
Zum Beispiel:

  • In den Nahrungsmitteln aber auch in „Batterien“ steckt die Energie in den Bestandteilen, den Atomen und Molekülen. Man nennt diese Energie chemische Energie.
  • In einem heißen Tee steckt mehr thermische Energie als im Eistee.
  • Das Wiesel am Fuß des Berges hat weniger potentielle Energie als am Gipfel.

So wie unser Wiesel am Berg unterschiedlich viel potentielle Energie besitzen kann, kann ein geladenes Teilchen unterschiedlich viel elektrische Energie haben.

Die elektrische Energie ist sozusagen die potentielle Energie des geladenen Teilchens.

Wiesel im Gravitationsfeld
geladenes Teilchen im elektrischen Feld

Als Maßeinheit für die elektrische Energie werden Wattsekunde $$ [W \cdot s] $$ oder Joule [J] verwendet.

$$ 1\,J = 1\,W \cdot s $$
$$ [J] = [W \cdot s] $$
Elektrische Energie Potentielle Energie
$$ E_\textnormal{pot, el} = {\color{red} q} \cdot $$ U
$$ E_\textnormal{pot, g} = {\color{green} m} \cdot \,$$$$ U_g $$ $$ = {\color{green} m} \, \cdot \,$$$$g \cdot h$$
  • q … Ladung
  • U … elektrische Spannung [J/C]
  • m … Masse
  • $$ U_g $$ … „Gravitations-Spannung“ [J/kg]
    $$ U_g $$ $$= g \cdot h $$ = Ortsfaktor $$\cdot$$ Höhe

Ähnlich wie im Gravitationsfeld neben der Masse des Wiesels die Höhe und der Ortsfaktor entscheidend für die potentielle Energie des Wiesels sind, verhält es sich mit der Spannung beim elektrischen Feld: Die elektrische Spannung ersetzt in diesem Vergleich das Produkt aus Höhe mal Ortsfaktor. Sie drückt sozusagen die Ladungen den Berg hinunter und ist der Grund für ihre Bewegung. Ihr Formelzeichen ist deshalb ein großes U (von lateinisch urgere: drängen, drücken).

Die elektrische Spannung wird in Volt bzw. Joule pro Coulomb angegeben.
1 V = 1 J/C
[V] = [J/C]

Die elektrische Ladung hat das Formelzeichen q. Sie gibt an wie groß der Elektronenüberschuss oder der Elektronenmangel eines Körpers ist. Ihre Einheit ist Coulomb [C] oder Ampere Sekunde $$ [A \cdot s] $$.

Die geladenen Teilchen bewegen sich (so wie das Wiesel) ohne Energiezufuhr immer nur den Berg hinunter – von hohem Potential zu niedrigem Potential.

Rauf und runter

Aber wie kommen Wiesel und elektrische Ladungen den Berg wieder hinauf? Das Wiesel nimmt die chemische Energie aus seinem Futter um genug Energie zu haben um den Berg hinauf fahren zu können. Aber was machen die geladenen Teilchen um „bergauf“ zu reisen? Woher nehmen sie die nötige Energie dazu? Sie nehmen beispielsweise die chemische Energie aus einer „Batterie“ (galvanischen Zelle).

In der „Batterie“ wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die „Batterie“ ist wie ein Lift für Elektronen – sie schleppt sie wieder den Berg hinauf. Das passiert natürlich auch nicht verlustfrei, Wärme entsteht als Nebenprodukt.

Eine „Batterie“ führt geladenen Teilchen Energie zu.

Unterschiede

Stärke

Obwohl wir die Wirkung der Gravitation im Alltag am stärksten spüren, ist sie die schwächste aller Grundkräfte und damit auch viel schwächer als die elektromagnetische Kraft. Das kann ganz leicht mit einem Magneten ausprobiert werden. Bereits sehr kleine Magnete können Gegenstände entgegen der Gravitation der gesamten Masse der Erde hochziehen.

Viele Nadeln hängen an einem kleinen Magnetstück
Sogar ein sehr kleiner Permanentmagnet hat ein leichtes Spiel mit diesen Stecknadeln gegen die Gravitation der Erde.

Elektrische Ladung

Im Unterschied zur Gravitation gibt es bei der elektromagnetischen Wechselwirkung zwei Gegensätze: positive und negative Ladungen.

Positive und negative Ladungen ziehen einander an, während gleiche Ladungen sich abstoßen. Deshalb gibt es Anziehung und Abstoßung im elektrischen Feld.

Massen werden vom Gravitationsfeld der Erde angezogen.
Elektrische Ladungen können positiv oder negativ sein, …
… deshalb gibt es Anziehung und Abstoßung im elektrischen Feld.

Alle im Alltag vorkommenden elektrischen Ladungsmengen setzen sich aus den Ladungen der Elektronen und Protonen zusammen. Diese Anziehung und Abstoßung funktioniert nicht nur bei kleinen, geladenen Teilchen (z. B. Elektronen, Protonen, Ionen, ...). Sie funktioniert auch (aber schwächer), wenn nur die Oberfläche eines Objektes geladen ist. Bei fast allen Stoffen kann eine lokale Ladungstrennung an der Oberfläche herbeigeführt werden. Oft reicht schon eine Berührung und Haare stehen elektrisch geladen vom Kopf ab.

„elektrische“ Haare durch Berührungselektrizität
Wenn zwei Stoffe einander berühren, kann es durch Austausch von Ladungsträgern zur Kontaktelektrisierung kommen.

Elektronen werden dabei von einem Stoff herausgelöst und fließen zum anderen. Dadurch bleibt eine positiv geladene Oberfläche zurück (Elektronenmangel). Der andere Stoff ist dann negativ geladen da hier nun ein Überschuss an Elektronen vorhanden ist.

Die Gesamtmenge an Ladung bleibt aber bei jeder Ladungstrennung erhalten.

Bei Isolatoren, also nichtleitenden Stoffen, sind die Elektronen an den Atomkern gebunden. Trotzdem können Ladungsträger gelöst oder weitere aufgenommen werden. Obwohl dieses Phänomen schon seit der Antike bekannt ist, und es verschiedene Theorien dazu gibt, was hier genau passiert und warum, ist es immer noch Gegenstand aktueller Forschung. Genaueres kannst du hier nachlesen.

Durch Reibung wird diese Kontaktelektrisierung effektiver, weil größere Bereiche der wirklichen Oberflächen einander berühren.

Berührung und Reibung
Reibung eines Löffels mit einem Tuch
Ladungstrennung durch Reibung

Um vorhersagen zu können, mit welchen Stoffen das am besten funktioniert, wurden von Physiker*innen mittels Versuchen eine Reihung vorgenommen. Die triboelektrische Reihe (tribos, griechisch: Reibung) gibt die Affinität eines Materials für Elektronen an.

+ Haut Glas Haare Nylon Wolle Seide Papier Baumwolle Hartgummi Kupfer Gold Polyester Acryl Polyethylen PVC Silikon Teflon -
Triboelektrische Reihe

Triboelektrische Reihe: In welche Richtung wandern die Elektronen?

Haut
Glas

Je weiter oben ein Material in der Reihe steht, desto mehr Elektronen wird es bei Berührung an ein tiefer stehendes Material abgeben.

Wie gut die Ladungstrennung funktioniert hängt jedoch auch noch von weiteren Faktoren wie Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit usw. ab. Tipp: Diese Versuche funktionieren am besten im Winter bei trockener Heizungsluft.

Mit einem Elektroskop lassen sich elektrische Ladungen sichtbar machen bzw. messen. Seine Funktionsweise beruht auf der Anziehung und Abstoßung elektrischer Ladungen.

Elektroskop

Untersuche, wie das Elektroskop auf eine positive Ladung bzw. auf eine negative Ladung reagiert!

Man kann damit die Menge der elektrischen Ladung anzeigen, aber nicht, ob es sich um positive oder negative Ladung handelt. So ein Gerät lässt sich ohne Aufwand selber basteln:

Elektrisch neutrale Körper

Eine Besonderheit der elektromagnetischen Kraft ist außerdem, dass sie neutralisiert werden kann. Die Wirkung von nebeneinander liegenden positiven und negativen Ladungen auf eine dritte, weiter entfernte Ladung heben einander auf. Sie wirken in Summe elektrisch neutral.

Obwohl sie genauso unendlich weit wirkt wie die Gravitation (nur viel stärker), wird dadurch die Wirkung der elektromagnetischen Kraft über große Entfernungen in der Praxis nie sichtbar. Denn für eine in großer Entfernung bemerkbare Wirkung müssten sehr viele Ladungen gleicher Art einen großen Körper bilden (wie z. B. einen Planeten). Da gleiche Ladungen einander abstoßen, würde dieser Körper aber sofort auseinander fallen und kann gar nicht existieren.

Fantasielabor

Versuche in unserem Fantasielabor einen möglichst großen Körper zu erzeugen! Injiziere beliebig viele positive und negative Ladungen und beobachte, was passiert!

16. Gravitation und elektromagnetische Kraft im Vergleich
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