Techniklexikon

elektrische Ladung

Elektrodynamik und Elektrotechnik, Elektrizitätsmenge, Quantität, welche die elektromagnetische Wechselwirkung eines Körpers oder Systems bestimmt. Elektrische Ladungen sind durch die Kraftwirkungen gekennzeichnet, die sie aufeinander ausüben. Sie treten in zwei Arten auf, die positive und negative Ladung genannt werden. Diese Bezeichnung geht auf B. Franklin zurück, der (fälschlich) Elektrizität als Überschuss oder Mangel an einer Ladungsart definierte, und zwar die durch elektrostatische Aufladung auf Glas erzeugte Menge als Überschuss, also positiv, die auf Bernstein erzeugte als negativ. Mit »elektrischer Ladung« wird ausser dem geladenen Zustand auch sehr oft der Ladungsträger bezeichnet, also der mikro- oder makroskopische Körper, der eine elektrische Ladung besitzt.

Die elektrische Ladung ist eine skalare, additive Grösse, d.h. die Ladung eines Systems ist die Summe der Ladungen aller Teilsysteme, wobei eine gleich grosse Anzahl von positiven und negativen Ladungen die Gesamtladung null ergibt. Systeme mit verschwindender Gesamtladung werden elektrisch neutral genannt. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C), 1C = 1As. Sie ist gequantelt, d.h. sie tritt immer nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung e = 1,602 × 10^-19C auf. Dies wurde 1909 von R. Millikan bewiesen (Millikan-Versuch). Die Ladung ist eine vom Bewegungszustand des Körpers unabhängige Grösse. Von den Elementarteilchen besitzen z.B. das Proton und das W⁺-Boson die Ladung +e, das Elektron, das Myon und das W^--Boson die Ladung -e, die jeweiligen Antiteilchen besitzen die entgegengesetzte Ladung. Neutral sind u.a. Neutronen, Neutrinos und das Photon. Quarks besitzen Ladungen von ± 1 / 3 oder ± 2 / 3, sie treten jedoch nie einzeln auf, sondern immer nur in Systemen aus zwei oder drei Quarks, die jeweils ganzzahlige Ladungen aufweisen oder elektrisch neutral sind (Confinement). In makroskopischen Systemen sind positive und negative Ladung fast immer vollständig ausgeglichen. Die Kraftwirkung zwischen 1 kg Protonen und 1 kg Elektronen wäre nämlich unvorstellbar gross, sie betrüge das 10³⁹-fache der Massenanziehung zwischen ihnen (Kopplungskonstanten)!

Elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes:  bzw. e₀ divE = e₀5E = r (r: elektrische Ladungsdichte). Bewegte Ladungen erzeugen zusätzlich auch Magnetfelder. In Materie führt die elektrische Polarisation dazu, dass die wahren Ladungen durch scheinbare Ladungen z.T. abgesättigt werden. Dadurch wird das E-Feld reduziert, es gilt jedoch mit der dielektrischen Verschiebung D = eE in Vakuum wie in Materie: divD = r, d.h. die wahren Ladungen sind immer die Quellen des D-Feldes (e: Dielektrizitätskonstante). Die nicht abgesättigten Ladungen werden auch freie Ladungen genannt.