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
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“.
04
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.
05
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!
06
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!
07
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 |
08
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
09
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?
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.