01
Aufbau der Materie: Proton, Neutron, Elektron
Das Kern-Hülle-Modell des Atoms
Jedes Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen Atomkern und einer viel größeren Elektronenhülle. Der Kern enthält fast die gesamte Masse, nimmt aber nur einen winzigen Bruchteil des Volumens ein.
Schalenmodell: Kern im Zentrum, Elektronen umkreisen ihn in „Schalen“
| Teilchen | Ladung | Masse (ungefähr) | Ort im Atom |
|---|---|---|---|
| Proton (p⁺) | positiv (+e) | 1 u | Atomkern |
| Neutron (n) | neutral (0) | 1 u (minimal schwerer) | Atomkern |
| Elektron (e⁻) | negativ (−e) | ≈ 1/1836 u (sehr leicht) | Elektronenhülle |
e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C — die Elementarladung, kleinste vorkommende Ladungsmenge
Ein neutrales Atom besitzt genau gleich viele Protonen wie Elektronen — die Ladungen heben sich auf. Verliert ein Atom Elektronen, entsteht ein positiv geladenes Kation; nimmt es Elektronen auf, entsteht ein negativ geladenes Anion. Zusammen heißen beide Ionen.
Merkhilfe
Proton und Positiv beginnen beide mit „P“ → Proton = positiv. Neutron klingt wie „neutral“ → Neutron = ungeladen. Bleibt nur noch: Elektron = negativ.
02
Elektrische Ladung
Grundgesetz der Ladungen
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab · ungleichnamige ziehen sich an
- Ladung Q wird in Coulomb (C) gemessen.
- Ladung ist immer ein Vielfaches der Elementarladung e (Ladung ist „gequantelt“).
- Leiter (z. B. Metalle) lassen Ladung/Elektronen frei fließen; Isolatoren (z. B. Kunststoff, Glas) nicht.
- Reibungselektrizität: Beim Reiben zweier Isolatoren (z. B. Luftballon am Pullover) werden Elektronen von einem Stoff auf den anderen übertragen — einer wird positiv, der andere negativ geladen.
- Ladung wird nie erzeugt oder vernichtet, nur übertragen (Ladungserhaltung).
Coulombsches Gesetz (qualitativ)
F ~ Q₁ · Q₂ / r² Kraft zwischen zwei Ladungen
Die Kraft zwischen zwei Ladungen wird größer, je größer die Ladungen sind, und kleiner, je weiter die Ladungen voneinander entfernt sind (quadratisch mit dem Abstand!).
Klassische Falle
Verdoppelt man den Abstand r, sinkt die Kraft nicht auf die Hälfte, sondern auf ein Viertel — weil r im Nenner im Quadrat steht!
03
Ionen — geladene Atome
Wie entsteht ein Ion?
Ein Ion ist ein Atom (oder Molekül), das Elektronen abgegeben oder aufgenommen hat und dadurch nicht mehr elektrisch neutral ist. Da sich die Anzahl der Protonen im Kern dabei nicht ändert, entscheidet allein die Elektronenzahl über die Ladung.
Natrium-Atom gibt ein Elektron ab → positiv geladenes Natrium-Kation Na⁺
Chlor-Atom nimmt ein Elektron auf → negativ geladenes Chlor-Anion Cl⁻
| Begriff | Elektronen im Vergleich zu Protonen | Ladung | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Kation | weniger Elektronen (Elektronenmangel) | positiv | Na⁺, Ca²⁺, H⁺ |
| Anion | mehr Elektronen (Elektronenüberschuss) | negativ | Cl⁻, O²⁻, F⁻ |
- Ionen entstehen z. B. beim Lösen von Salzen in Wasser (Na⁺ und Cl⁻ aus Kochsalz NaCl), durch Reibung, durch UV-Strahlung oder in Flammen.
- Ionisierte Luft (z. B. durch eine Kerzenflamme) leitet Strom viel besser als normale Luft — freie Ionen können Ladung transportieren. Das nutzt man z. B. zum Entladen von Elektroskopen.
- In einer wässrigen Salzlösung sorgen frei bewegliche Ionen dafür, dass die Lösung elektrisch leitfähig wird (im Gegensatz zu reinem Wasser).
- Die Ladungszahl eines Ions gibt an, wie viele Elektronen zu viel oder zu wenig vorhanden sind (z. B. Ca²⁺ = zwei Elektronen weniger als Protonen).
Merkhilfe
Kation klingt wie „Katze, die wegläuft“ → Elektronen laufen weg → positiv. Anion wie „ankommen“ → Elektronen kommen an → negativ.
04
Das elektrische Feld
Feldlinien einer Punktladung
Um jede Ladung herum existiert ein elektrisches Feld — ein Raum, in dem eine andere Ladung eine Kraft erfährt. Sichtbar gemacht wird es durch Feldlinien.
Positive Ladung: Feldlinien zeigen radial weg von der Ladung
Negative Ladung: Feldlinien zeigen radial zur Ladung hin
Das homogene Feld im Plattenkondensator
Homogenes Feld zwischen zwei parallelen, entgegengesetzt geladenen Platten
E = F / q elektrische Feldstärke [N/C bzw. V/m]
E = U / d im Plattenkondensator: Spannung U durch Plattenabstand d
F = E · q Kraft auf eine Ladung q im Feld E
- Feldlinien beginnen immer auf positiven und enden auf negativen Ladungen.
- Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld an dieser Stelle.
- Feldlinien schneiden sich nie.
- Eine kleine, positive Probeladung zeigt durch die Kraftrichtung, in welche Richtung das Feld „zeigt“.
05
Feldlinien im Detail — wie sie sich verhalten
Die Spielregeln für Feldlinienbilder
- Feldlinien beginnen stets auf positiven Ladungen und enden auf negativen Ladungen (oder laufen ins Unendliche, wenn keine Gegenladung da ist).
- Zwei Feldlinien schneiden oder berühren sich nie — an jedem Punkt zeigt das Feld nur in genau eine Richtung.
- Der Abstand der Linien zeigt die Stärke: eng beieinander = starkes Feld, weit auseinander = schwaches Feld.
- Feldlinien treffen immer senkrecht auf die Oberfläche eines Leiters.
- Im Inneren eines geladenen Leiters (z. B. einer Metallkugel) herrscht kein elektrisches Feld — die Ladung sitzt nur auf der Oberfläche.
Zwei Ladungen im Zusammenspiel
Ungleichnamige Ladungen: Feldlinien laufen direkt von + zu − (Dipolfeld)
Gleichnamige Ladungen: Feldlinien weichen sich aus, in der Mitte heben sie sich fast auf
Feldlinien am Leiter
An einem geladenen Leiter stehen Feldlinien immer senkrecht zur Oberfläche und drängen sich an Spitzen zusammen (Spitzenwirkung — Prinzip des Blitzableiters!)
Spitzenwirkung
An spitzen, stark gekrümmten Stellen eines Leiters ist das elektrische Feld besonders stark. Deshalb funktionieren Blitzableiter: Die Ladung „entlädt“ sich bevorzugt über die Spitze.
06
Spannung & elektrisches Potential
Die elektrische Spannung U beschreibt den Unterschied im elektrischen Potential zwischen zwei Punkten — sie ist quasi der „Antrieb“, der Ladungen bewegt (vergleichbar mit einem Höhenunterschied, der Wasser zum Fließen bringt).
U = W / Q Spannung = Arbeit pro verschobener Ladung [Volt = Joule/Coulomb]
- Je größer die Spannung zwischen zwei Punkten, desto stärker das elektrische Feld zwischen ihnen.
- Spannung wird mit einem Voltmeter parallel gemessen.
- Ohne Spannung/Potentialunterschied fließt kein Strom.
Analogie
Stell dir das elektrische Feld wie ein Gefälle vor: die Spannung U ist der „Höhenunterschied“, die Feldstärke E zeigt die „Steigung“, und die Ladung q ist der Ball, der hinabrollt.
07
Das Elektroskop
Aufbau & Funktionsprinzip
Ein Elektroskop (auch Elektrometer genannt) macht elektrische Ladung sichtbar. Es besteht aus einem Metallstab mit einer Kontaktplatte oben und einem leicht beweglichen Zeiger (oder zwei dünnen Blättchen) unten, isoliert im Gehäuse gelagert.
Gleichnamige Ladung verteilt sich über Stab und Zeiger → beide stoßen sich ab → Ausschlag
Bringt man Ladung auf die Kontaktplatte, verteilt sie sich über den ganzen Metallstab bis zum Zeiger. Da Stab und Zeiger dann gleichnamig geladen sind, stoßen sie sich ab — der Zeiger schlägt aus. Je größer die Ladungsmenge, desto größer der Ausschlag — das Elektroskop misst also qualitativ die Ladungsmenge.
Aufladen: zwei Methoden
Aufladung durch Berührung: Elektroskop erhält dieselbe Ladungsart wie das berührende Objekt
Aufladung durch Influenz: geladenes Objekt in der Nähe verschiebt die Elektronen im Elektroskop, ohne es zu berühren
- Berührung (Kontaktaufladung): Ein geladenes Objekt berührt die Kontaktplatte — Ladung fließt über, das Elektroskop hat danach dieselbe Ladungsart wie das Objekt.
- Influenz (Ladungstrennung ohne Kontakt): Ein geladenes Objekt nähert sich, ohne zu berühren. Es zieht Elektronen an oder stößt sie ab — im Elektroskop entsteht eine Ladungstrennung, der Zeiger schlägt trotzdem aus, obwohl keine Ladung übertragen wurde.
Wie man ein Elektroskop neutralisiert (entlädt)
- Erden: Berührt man die Kontaktplatte kurz mit dem Finger (oder einem geerdeten Draht), fließt die überschüssige Ladung über den Körper zur Erde ab — das Elektroskop wird neutral, der Zeiger fällt zurück auf null.
- Entgegengesetzte Ladung zuführen: Berührt man die Platte mit einem entgegengesetzt geladenen Objekt in genau passender Menge, heben sich die Ladungen gegenseitig auf.
- Ionisierte Luft: Hält man eine Kerzenflamme in die Nähe der Kontaktplatte, ionisiert die Hitze die umgebende Luft. Die freien Ionen in der Luft leiten die Ladung langsam ab — auch das entlädt das Elektroskop, ganz ohne direkten Kontakt.
- Zeitliches Abklingen: Auch durch die (meist geringe) Leitfähigkeit der Luft und des Gehäuses fließt Ladung über lange Zeit von selbst ab.
Praxis-Tipp fürs Experiment
Willst du die Ladungsart eines unbekannten Objekts bestimmen: Lade das Elektroskop zuerst mit einer bekannten Ladung auf (z. B. negativ durch einen geriebenen Kunststoffstab). Näherst du dann das unbekannte Objekt der Platte an, ohne zu berühren (Influenz) — schlägt der Zeiger weiter aus, ist das Objekt gleichnamig (hier negativ) geladen; geht der Ausschlag zurück, ist es entgegengesetzt (positiv) geladen.
Nicht verwechseln
Bei der Influenz-Methode bleibt die Gesamtladung des Elektroskops gleich null — es findet nur eine Ladungstrennung im Inneren statt, keine echte Aufladung. Entfernt man das äußere geladene Objekt wieder, fällt der Zeiger zurück auf null.
08
Das magnetische Feld
Permanentmagnete & Pole
Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten von N nach S, im Inneren von S nach N — sie sind stets geschlossen
- Jeder Magnet hat einen Nordpol (N) und einen Südpol (S) — nie nur einen (kein „magnetischer Monopol“).
- Gleichnamige Pole (N–N oder S–S) stoßen sich ab, ungleichnamige (N–S) ziehen sich an.
- Zerschneidet man einen Stabmagneten, entstehen zwei neue, vollständige Magnete mit je einem N- und S-Pol.
- Magnetfeldlinien sind immer geschlossene Kurven (im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien, die auf Ladungen beginnen/enden!).
Erdmagnetfeld & Kompass
Die Erde selbst wirkt wie ein riesiger Stabmagnet. Der geographische Nordpol liegt in der Nähe des magnetischen Südpols der Erde — deshalb zeigt der Nordpol einer Kompassnadel (angezogen vom Gegenpol) nach geographisch Norden.
Merkhilfe
„Ungleiche Pole ziehen sich an“ — der geographische Nordpol muss also magnetisch ein Südpol sein, sonst würde die Kompassnadel nicht dorthin zeigen!
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Elektromagnetismus — wenn Strom Magnetfelder erzeugt
Der Oersted-Versuch
1820 entdeckte Hans Christian Ørsted zufällig: Fließt Strom durch einen Draht, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld — Kompassnadeln in der Nähe schlagen aus!
Kreisförmige Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter
Rechte-Hand-Regel (Rechtsschraubenregel)
Rechte-Hand-Regel
Daumen der rechten Hand zeigt in die technische Stromrichtung (von + nach −), die gekrümmten Finger zeigen die Richtung der Magnetfeldlinien um den Draht.
Die Spule (Elektromagnet)
Stromdurchflossene Spule wirkt wie ein Stabmagnet mit N- und S-Pol
- Eine Drahtspule mit fließendem Strom erzeugt ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten gleicht.
- Ein Eisenkern im Inneren der Spule verstärkt das Magnetfeld deutlich.
- Das Magnetfeld wird stärker durch: mehr Windungen, mehr Stromstärke, Eisenkern.
- Anwendungen: Elektromagnet (Kran), Elektromotor, Generator, Klingel, Relais, Lautsprecher.
Achtung, Verwechslungsgefahr
Die technische Stromrichtung (+ → −) ist per Definition festgelegt und zeigt entgegengesetzt zur tatsächlichen Bewegungsrichtung der Elektronen (− → +). Für die Rechte-Hand-Regel wird immer die technische Stromrichtung verwendet!
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Elektrisches vs. magnetisches Feld im Vergleich
| Merkmal | Elektrisches Feld | Magnetisches Feld |
|---|---|---|
| Quelle | elektrische Ladungen | Magnete / bewegte Ladungen (Strom) |
| Feldlinien | offen: beginnen (+) und enden (−) | geschlossen, ohne Anfang/Ende |
| Monopol | ja — einzelne Ladung möglich | nein — nie nur ein Pol |
| Wirkt auf | ruhende und bewegte Ladungen | nur bewegte Ladungen / Ströme / Magnete |
| Größe | Feldstärke E [N/C] | magnetische Flussdichte B [Tesla] |
| Beispiel | Plattenkondensator | Stabmagnet, Spule |
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Tipps, Eselsbrücken & typische Fehler
Eselsbrücken
- Proton = positiv (gleicher Anfangsbuchstabe)
- Neutron = neutral
- Elektron bleibt übrig → negativ
- „Ungleich zieht an, Gleiches stößt ab“ — gilt für Ladungen und Magnetpole
- Rechte-Hand-Regel: Daumen = Strom, Finger = Feld („rechte Faust um den Draht“)
Häufige Fehler
- Magnetische Feldlinien fälschlich als „offen“ zeichnen (sie sind immer geschlossen!)
- Stromrichtung und Elektronenflussrichtung verwechseln
- Denken, man könne einen Magneten in einen reinen Nord- und Südpol zerteilen
- Bei Coulomb-Kraft den Abstand linear statt quadratisch berücksichtigen
- Feldstärke E und Spannung U verwechseln (E ist „pro Meter“, U ist „gesamt“)
Kleines Fach-Glossar
Ladung Q [C]
Elementarladung e
Feldstärke E [N/C]
Spannung U [V]
Flussdichte B [T]
Ion (Kation/Anion)
Leiter/Isolator
Induktion
Lorentzkraft
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Checkliste zum Lernen & Selbsttest
Das solltest du erklären können
- Aufbau eines Atoms und Eigenschaften von Proton, Neutron, Elektron
- Wie entsteht ein Ion, was ist der Unterschied zwischen Kation und Anion?
- Wie funktioniert Reibungselektrizität, und warum bleibt die Gesamtladung erhalten?
- Wie sehen Feldlinienbilder um eine, zwei und viele Ladungen (Kondensator) aus?
- Zusammenhang zwischen Feldstärke E, Spannung U und Plattenabstand d
- Warum haben Magnete immer zwei Pole, und wie verlaufen ihre Feldlinien?
- Wie erzeugt ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld (Oersted, Rechte-Hand-Regel)?
- Wie wird eine Spule zum Elektromagneten, und wovon hängt ihre Stärke ab?
- Wie funktioniert ein Elektroskop, und was ist der Unterschied zwischen Aufladung durch Berührung und durch Influenz?
- Mit welchen Methoden kann man ein Elektroskop wieder neutralisieren?
- Welche Regeln gelten für Feldlinienbilder (Beginn/Ende, Kreuzungsverbot, Dichte, Verhalten am Leiter)?
Kurzer Selbsttest
Warum wird ein Kunststoffstab beim Reiben negativ geladen?
Beim Reiben werden Elektronen vom Reibmaterial (z. B. Wolltuch) auf den Kunststoffstab übertragen — der Stab hat danach einen Elektronenüberschuss und ist negativ geladen.
Was passiert mit der Coulomb-Kraft, wenn man den Abstand zweier Ladungen verdreifacht?
Sie sinkt auf 1/9, da die Kraft proportional zu 1/r² ist.
Kann man einen Magneten so zerschneiden, dass ein Teil nur einen Nordpol hat?
Nein — jedes Teilstück ist wieder ein vollständiger Magnet mit eigenem Nord- und Südpol.
Wie verändert sich die Stärke des Magnetfeldes einer Spule, wenn man einen Eisenkern einsetzt?
Sie nimmt deutlich zu, da der Eisenkern selbst magnetisiert wird und das Feld verstärkt.
Ist ein Natrium-Ion (Na⁺) ein Kation oder ein Anion — und warum?
Ein Kation, denn Natrium hat ein Elektron abgegeben und somit weniger Elektronen als Protonen — dadurch ist es positiv geladen.
Ein Elektroskop schlägt bei Annäherung eines geladenen Stabes aus, ohne dass er es berührt. Wie heißt dieser Effekt, und ist das Elektroskop danach wirklich geladen?
Das ist Influenz (Ladungstrennung ohne Kontakt). Die Gesamtladung des Elektroskops bleibt null — entfernt man den Stab, fällt der Zeiger zurück auf null.
Warum entlädt eine Kerzenflamme in der Nähe eines geladenen Elektroskops dieses langsam?
Die Hitze der Flamme ionisiert die umgebende Luft. Die entstehenden freien Ionen machen die Luft leitfähig und leiten die Ladung des Elektroskops langsam ab.
Dürfen sich zwei elektrische Feldlinien in einem Feldlinienbild kreuzen?
Nein — an jedem Punkt des Raumes hat das Feld nur eine einzige Richtung, deshalb können sich Feldlinien nie schneiden.