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VoltBase Grundlagen Elektrische Ladung
Thema 19 Grundlagen

Elektrische Ladung

Die Grundgröße der Elektrizität: Was Ladung ist, wie man sie misst und warum sie für Akkus und Elektronik so wichtig ist.

ca. 7 Minuten Einstieg Quiz mit 10 Fragen
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Worum geht es?

Alles in der Elektrotechnik fängt mit der elektrischen Ladung an. Winzige Teilchen tragen sie in sich, so wie ein Stein Gewicht hat. Es gibt zwei Sorten: plus (positiv) und minus (negativ).

Wie bei Magneten: Gleiche Sorten stoßen sich ab, verschiedene ziehen sich an. Ihr Zeichen ist Q, die Einheit das Coulomb (C).

Fließt Ladung, ist das ein Strom. Werden Plus und Minus getrennt, entsteht eine Spannung.

Vereinfachtes Atommodell Ein Atomkern aus Protonen und Neutronen in der Mitte, außen kreisen Elektronen auf Schalen. Protonen sind positiv, Elektronen negativ, Neutronen neutral. +++ −−− Proton: positiv Neutron: neutral Elektron: negativ 3 Protonen, 3 Elektronen: Atom nach außen neutral
Wo die Ladung sitzt (stark vereinfacht): Im Kern sitzen positive Protonen und neutrale Neutronen, außen die negativen Elektronen. Solange gleich viele Protonen und Elektronen da sind, ist das Atom nach außen neutral. Fehlen Elektronen, ist es positiv geladen, hat es zu viele, negativ.
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Anziehung und Abstoßung

Zwischen Ladungen wirken Kräfte. Das kannst du mit einem Luftballon ausprobieren: Reibst du ihn an deinen Haaren, gehen Elektronen von den Haaren auf den Ballon über. Danach haften Ballon und Haare aneinander, weil sie ungleichnamig geladen sind. Die einzelnen Haare dagegen stehen ab, weil sie alle gleich geladen sind und sich gegenseitig abstoßen.

Kräfte zwischen Ladungen Oben zwei positive Ladungen, die sich abstoßen. In der Mitte zwei negative, die sich ebenfalls abstoßen. Unten eine positive und eine negative Ladung, die sich anziehen. ++ abstoßen −− abstoßen +− anziehen
Gleich stößt ab, ungleich zieht an: Zwei positive oder zwei negative Ladungen stoßen sich ab. Eine positive und eine negative Ladung ziehen sich an. Diese Kraft wird schnell schwächer, je weiter die Ladungen voneinander entfernt sind.
Historisches Elektroskop mit runder Messingplatte oben, Glasglocke und einem dünnen Metallblättchen darin auf einem Holzsockel
Historisches Elektroskop: Wird die Metallplatte oben geladen, verteilt sich die Ladung bis auf das dünne Blättchen unter der Glasglocke. Weil sich gleichnamige Ladungen abstoßen, spreizt sich das Blättchen ab. Je mehr Ladung, desto weiter.

Foto: Rama, „Electroscope-MHS 2028-P4070277-white“, Lizenz: CC BY-SA 3.0 FR, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.

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Wie groß ist eine Ladung?

Die kleinste frei vorkommende Ladung trägt ein einzelnes Elektron oder Proton. Diese Elementarladung ist winzig:

Elementarladung
e≈1,602 · 10−19 C
1 C entspricht rund 6,24 · 1018 Elektronen
Ladung aus Strom und Zeit
Q=I · t
Q in C (As) · I in A · t in s

Ein Coulomb ist genau die Ladung, die bei 1 A in 1 s durch einen Leiter fließt: 1 C = 1 As (Amperesekunde). Bei Akkus rechnet man mit der größeren Einheit Amperestunde (Ah):

1 Ah=1 A · 3.600 s= 3.600 C

Wichtig ist der Satz von der Ladungserhaltung: Ladung entsteht nicht und verschwindet nicht. Sie wird nur getrennt oder verschoben. Was in einen Stromkreis hineinfließt, kommt auch wieder heraus, das ist die Grundlage der Knotenregel.

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Ladung in der Praxis

  • Akkus und Batterien: Ihre Kapazität ist eine Ladungsmenge, angegeben in Ah oder mAh. Ein Handy-Akku mit 3.000 mAh kann 3 A eine Stunde lang liefern, oder 0,3 A zehn Stunden lang.
  • Kondensatoren: speichern Ladung auf zwei Platten. Wie viel, hängt von ihrer Kapazität und der Spannung ab: Q = C · U. Mehr dazu im Thema Kondensatoren.
  • Elektrostatische Aufladung: Beim Gehen über einen Teppich kann sich dein Körper auf mehrere tausend Volt aufladen. Das spürst du als kleinen Schlag an der Türklinke. Für Menschen ist das harmlos, weil nur sehr wenig Ladung fließt.
ESD-Schutz

Für empfindliche Elektronik kann so eine Entladung (ESD, electrostatic discharge) tödlich sein, auch wenn du sie selbst gar nicht bemerkst. Beim Arbeiten an Platinen, Steuerungen und Wechselrichtern deshalb ein geerdetes ESD-Armband tragen, Bauteile nur am Rand anfassen und in leitfähigen Beuteln lagern.

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Rechenbeispiele

01 Ladung aus Strom und Zeit

Ein Ladegerät lädt einen Akku 30 Minuten lang mit 2 A. Welche Ladung fließt in den Akku?

I = 2 At = 30 min = 1.800 s
  1. Q = 2 A · 1.800 s = 3.600 C
  2. In Amperestunden: 2 A · 0,5 h = 1 Ah
  3. Ergebnis: Q = 3.600 C = 1 Ah
02 Wie viele Elektronen?

Wie viele Elektronen fließen in einer Sekunde durch eine LED, wenn der Strom 20 mA beträgt?

I = 0,02 At = 1 se ≈ 1,602 · 10−19 C
  1. Ladung: Q = 0,02 A · 1 s = 0,02 C
  2. n = Qe = 0,02 C1,602 · 10−19 C ≈ 1,25 · 1017
  3. Ergebnis: rund 125 Billiarden Elektronen pro Sekunde
03 Laufzeit eines Akkus

Ein Akku hat 3.000 mAh. Ein Gerät zieht im Mittel 250 mA. Wie lange hält er ungefähr?

  1. t = QI = 3.000 mAh250 mA = 12 h
  2. Ergebnis: etwa 12 Stunden
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Typische Fehler

  • Ladung und Strom verwechselt: Ladung ist eine Menge (Coulomb), Strom ist Ladung pro Zeit (Ampere).
  • mAh nicht umgerechnet: 3.000 mAh sind 3 Ah, nicht 3.000 Ah.
  • Elektrostatik für harmlos gehalten: Für Menschen ist der kleine Schlag ungefährlich, für Halbleiter nicht.
Merke

Ladung Q gibt es positiv und negativ. Gleichnamige stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Einheit Coulomb, 1 C = 1 As. Es gilt Q = I · t. Akkukapazität ist eine Ladung in Ah, 1 Ah = 3.600 C.

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Quiz: Teste dich

Zehn Fragen zum Thema Elektrische Ladung. Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.

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