Funktioniert die Reibungselektrizität auch bei Leitern?
Funktioniert das mit Begründung bitte
3 Antworten
Einfache Antwort
Bei der Reibungselektrizität geht es immer um die sogenannte "Elektronegativität" eines Stoffes. Es gibt Stoffe die eher dazu neigen Elektronen abzugeben als andere. Das heißt dieser Effekt kann also im Prinzip erstmal bei allen Materialien auftreten.
Bei der Abgabe oder Aufnahme der Elektronen handelt es sich übrigens immer um die Valenzelektronen.
Da ich persönlich kein Freund davon bin einfach irgendwelche Behauptungen im Raum stehen zu lassen, gehe ich nun auf die oft heißbegehrte Frage "Warum" ein. Also. Warum also ist das so und woher kommt die ominöse "Elektronegativität" welche "Ursache" hat sie? Eins steht nämlich fest! Wegen Lust und Laune der Atome ist es nicht ;)
Ausführliche Erklärung
Schauen wir uns zunächst erstmal an, was eine elektrische Elementarladung überhaupt ausmacht:
In dem Bild sehen wir eine positive einzelne elektrische Ladung. Aber die folgende Erklärung gilt für negative Ladungen genauso es ist leidglich ein eines Vorzeichen. Das was wir hier sehen ist ein sogenanntes "radiales Kraftfeld" das sehen wir dadurch, dass die Linien immer weiter auseinander gehen je weiter wir uns vom Teilchen weg bewegen.
Die Feldstärke ist proportional zur dichte der Feldlinien. Je dichter das Feld wird, desto größer wird die Kraft und umgekehrt. Das heißt das positive Teilchen wirkt immer schwächer auf andere geladene Teilchen je weiter sie von diesem entfernt sind. Um genau zu sein fällt die Feldstärke quadratisch zum Abstand ab 1/r^2 diese Beziehung ist wichtig.
Nun schauen wir uns das Atom im Bohrschen Atommodell genauer an:
Hier sehen wir ein Chloratom. Klar wird, dass sich im kern positive Ladungsträger befinden und zwar um genau zu sein 17 stück. diese sind fest im Kern gebunden normalerweise müssten sie auseinander fliegen, da gleiche Ladungen sich gegenseitig abstoßen aber der Atomkern ist so klein, dass innerhalb dieser Größenordnung eine andere Kraft stärker wird als die elektromagnetische Wechselwirkung, nämlich die Starke Kernkraft. Sie werden von einem Austauschteilchen der starken Kernkraft zusammengehalten, dass sogenannte "Gluon". Das Gluon ist kein richtiges Teilchen wie das Elektron sondern ein reines Austauschteilchen wie das Photon, denn in dieser Welt wirken Kräfte nicht einfach so, sie werden durch Teilchen vermittelt. So als würden die Teilchen untereinander Pingpong mit dem Austauschteilchen spielen. Das Photon z.b. springt zwischen Elektron und Proton hin und her und so spüren Protonen und Elektronen überhaupt, dass eine Kraft auf sie wirkt.
Nun haben wir ja gesagt, dass die Kraft Quadratisch zum Abstand abnimmt. Die Elektronen bewegen sich auf den jeweiligen Bahnen unterschiedlich weit vom Kern entfernt. Das hat automatisch zur folge, dass die Kraft nach außen hin auf die Elektronen kleiner werden muss und zwar nicht Linea sondern Quadratisch. Je näher die Elektron dem Kern kommen, desto stärker werden sie angezogen. jedoch stoßen die Elektronen sich gegenseitig ab (sind ja gleichnamig geladen.) deshalb passen auch nur ganz bestimmte Mengen an Elektronen auf eine bestimmte Bahnen. Auf die erste Bahn passen nicht mehr als 2 Elektronen drauf, da sie sich sonst abstoßen. Außen ist der Umfang größer mehr Platz bedeutet auch mehr Elektronen usw.
Jedoch muss irgendwann Schluss sein, denn der einzige Grund, warum die Elektronen überhaupt beim Atom sind ist doch der, dass sie vom positiv geladenen Kern angezogen werden.
Jetzt kommt die Wichtige Erkenntnis! Damit ein Elektron sich weiter vom Atomkern entfernen kann muss dem Elektron ENERGIE hinzugefügt werden. Man spricht vom "Energieniveau der Elektronen". Je höher das Energieniveau desto leichter ist es ihm vom Atom zu entreißen, da wir diesem weniger Energie zuführen müssen um ihm die nötige Energie zu geben um zu einem freien ungebundenen Ladungsträger zu werden. Das ist genau bei den äußersten Elektronen der Fall. Diese Elektronen sind also ganz besonders und werden "Valenzelektronen" genannt.
Kommt nun ein Nachbaratom nah genug heran mit einer auf diese weiße nicht voll besetzten äußeren Schale, so neigt er dazu die Elektronen des anderen Atoms zu entreißen. Das Elektron kann so aus seiner Bahn geworfen werden und da das andere Atom dazu neigt das Elektron "Zurück zunehmen" eben Aufgrund der Kräfte bleiben die beiden Atome in einem Verbund zusammen. Wir haben jetzt ein Molekül.
Das bedeutet, dass diese Verbunde der Atome die wir Moleküle nennen nur durch die elektromagnetische Wechselwirkung zustande kommt.
nun geht das ganze nicht nur mit einzelnen Atome sondern auch in genazen Verbänden von Molekülen die wir Stoffe nennen. Diese Stoffe sind nicht mehr nur als einzelne Atome und Moleküle zu betrachten sondern als ein großer Verbund der ebenfalls diese Elektrostatischen Eigenschaften aufweist. Bringen wir ein anderes Stoff nur nah genug ran, so wirken wieder die Kräfte und die Elektronen werden dem Stoff entrissen. Das aneinander pressen und reiben begünstigt den Effekt zusätzlich.
Was macht nun einen elektrischen Leiter aus. Anders als bei vielen anderen Stoffen findet sich bei elektrischen Leiter auf molekularer Ebene eine Gitterstruktur der Atomverbände:
Das liegt daran weil alle Atome gleichaufeinander wirken. Die Elektronen sind hier frei und können sich innerhalb des Gitters frei bewegen, bringen also ein Energieniveau von Haus aus mit, welcher einen elektrischen Stromfluss begünstigt.
Stoffe mit freien Ladungsträger neigen noch mehr dazu Elektronen abzugeben. Ist ja auch klar, denn die Ladungsträger haben schon so viel Energie, dass sie sich frei im Gitter bewegen können, demnach braucht es auch nicht besonders viel Energie um ein Teil komplett zu entreißen.
Das Gesetz mit dem elektrische Ladungen beschrieben werden und as dem wir uns die Kraft hergeleitet haben ist das sogenannte "Coulombgesetz":
Lass uns zum Abschluss noch eine kleine Verständnis frage des Atoms auf den Grund gehen:
Warum fallen Elektronen nicht in den positiv geladenen Atomkern?
Die einfache Erklärung ist, dass bei der Bewegung um den Atomkern eine Zentrifugalkraft wirkt. Die Zentripetalkraft die dem entgegenwirkt und gleich groß ist wird durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und positiv geladenen Kern hervorgerufen.
Jedoch stößt diese Erklärung auf Probleme, denn hier stellen wir uns das Objekt 2 Dimensional vor. In Wahrheit ist es aber 3 Dimensional und das Elektron ist in Wahrheit gar kein Teilchen sondern mehr eine Art Brei um den Atomkern. Dieser "Brei" führt Schwingungen aus. und diese Schwingungen entspricht einer gewissen Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons. Es wirkt also so, als wenn wir an der Stelle danach suchen eine bestimmte Wahrscheinlichkeit existiert an dem wir das Elektron als Teilchen lokalisieren können. Vor dem Zeitpunkt der Lokalisierung ist der genauer Aufenthalt unbestimmt. dieses Schwingen um den Atomkern kann man sich vorstellen wir eine 3 Dimensionale stehende Welle. Wir können uns diese Welle auch 2 Dimensional anschauen, da dieses System "Achsensymetrisch" ist. Das heißt egal wie wir das Ding drehen, wir erhalten stehts das gleiche Ergebnis. Deshalb lässt sich das 3 Dimensionale Bild auch ins 2 Dimensionale Übertragen und umgekehrt.
Diese Bahnen sind also keine Bahnen sondern sogenannte "Orbitale" man gibt ihnen Namen S,K,L,M,N,P usw. Das heißt ab hier müssen wir uns vom "Bohrschen Atommodell" verabschieden und uns das "Orbital Model" anschauen. Wir verstehen jetzt also das Elektron wie eine Art Schwingender Brei und wie jede Schwingung hat diese auch einen 0 Durchgang. Dieser 0 Durchgang ist der Punkt mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons von 0. und dieser Nulldurchgang liegt eben genau im Atomkern und außen, das heißt hier darf das Elektron nicht sein. Das ist die Quantenmechanische Erklärung, warum das Elektron nicht da sein darf.
Nun aber hat auch dieser "Schwingungsbrei" verschiedene Eigenschaften, denn er kann sich ausrichten und Elektronen besitzen eine Quantemechanische Eigenschaft der sich "Spin" nennt und 2 Zustände annehmen kann + oder -1/2. Je größer wir vom Energieniveau her werden, desto mehr unterschiede gibt es in den Schwingungen und wir erhalten mehr 0 Durchgänge. so kann dieser "Brei" auch z.b. die Form einer Hantel annehmen. Und diese "Hantel" kann sich ausrichten in eine von 3 Richtungen. Man nennt diese Eigenschaft "Magnetquantenzahl" und dieser kann immer nur ganz bestimmte Zustände annehmen. Es gibt insgesamt 4 Quantenzahlen:
- Hauptquantenzahl (Energieniveau) n
- Drehimpulsquantenzahl l
- Magnetquantenzahl m
- Spin s
Mit diesen 4 Eigenschaften kann ein Elektron ausgestattet sein und jetzt gibt es das sogenannte "Pauli Prinzip" es besagt, dass jedes Elektron sich in mindestens eine dieser 4 Quantenzahlen unterscheiden muss, ansonsten darf es dort nicht sein, da sich sonst ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Überlagern und es zu einer destruktiven Interferenz kommt. Das heißt die beiden Elektronen würden sich gegenseitig auslöschen. Das geht aber nicht aufgrund der Ladungserhaltung, das heißt diesen Zustand lässt die Natur offenbar nicht zu.
Das heißt das Pauli Prinzip ist zusätzlich eine Quantenmechanische Erklärung warum z.b. nur 2 Elektronen im 1. Orbital sein dürfen und nicht mehr, denn hier ist n =1 Für die Drehimpulsquantenzahl gilt, dass l=0,1... sein darf aber maximal n-1
Da also die Hauptquantenzahl n=1 ist muss l=0 sein für l gibt es nur diesen Zustand. m geht von -l über 0 bis +l also ist auch m=0
Der Spin kann +1/2 oder -1/2 also 2 mögliche Variationen, deshalb kann es hier nur 2 Elektronen geben einmal mit einem Spin +1/2 und eins mit -1/2 alle anderen Quantenzahlen sind identisch und das Elektron muss sich aber immer in einer Quantenzahl unterscheiden.
für das 2 Orbital gilt n=2 l=0,1 m=-1,0,+1 s=+1/2, -1/2
also insgesamt 8 mögliche Zustände. Merke: Wenn l=0 ist kann m nur 0 sein nichts anderes. bei 1 gibt es -1,0 und 1.
Das ganze geht nur bis Argon gut ab Argon gibt es ein kleines Problem, denn hier gehen wir schon in das 4. Orbital bevor wir die 3. Voll haben, einfach weil es energetisch günstiger ist. Also weil n=4 und l=0 günstiger ist als n=3 und l=2 beim Vorgang also das Atom mit Elektronen zu befüllen überlappen sich die Niveaus also sozusagen ein wenig und wir kriegen folgenden Aufteilungsschema:
hier sehen wir die ersten Schalen ganz unten mit n=1 und n=2 das sind unsere Energieniveaus also sozusagen die Schalen wenn du dir das mit dem Bohrschen Atommodell vorstellen möchtest und hier sehen wir, wie gut es bis hier noch funktioniert und ab n=3 sehen wir schon die erste Überlappung von n=3 (Blau dargestellt) und n=4 (Grün dargestellt).
Bildlich kann man sich so ein Atom in etwa so vorstellen:
hier sehen wir wie die Bläschen um den Atomkern herum aufgebaut sind also unser schwingender Brei.
Ok Stopp!
Also wir merken, beim Versuch die Welt zu erklären gibt es immer mal wieder Modelle mit denen bestimmte Naturerscheinungen erklärt werden können aber immer mal wieder werfen sich neue Fragen auf wenn wir weiter kommen. Nachdem wir z.b. geglaubt haben das Atom zu verstehen und nun erklären wollen, warum der Kern nicht auseinander fliegt oder warum die Elektronen nicht in den Atomkernstürzen waren neue Modelle nötig. Modelle die die Schwachstelle der ersten Modelle ausmerzen und je tiefer wir eindringen und je mehr wir versuchen die Welt zu verstehen desto mehr nimmt leider auch der Komplexitätsgrad zu.
Und so leid es mir tut aber das ist noch nicht das Ende der Fahnstange, nach heutigem Erkenntnisstand wurden bis zu 300 Elementarteilchen Entdeckt. Das heißt Protonen, Neutronen und Elektronen sind nicht die einzigen Teilchen die existieren. Protonen und Neutronen sind aus noch kleineren Teilchen Aufgebaut den UP und Down Quarks und von den Quarks gibt es 6 verschiedene Arten. Also wir geraten hier in eine Welt die komplett anders ist als wir kennen. Und auch mit den Quarks gibt es ein Problem, denn Quarks sind geladen das UP Quark hat z.b. eine Ladung von +2/3 und das Down Quark von -1/3
Und jetzt kann ein Teilchen aus verschiedenen Variationen der Quarks bestehen und da gibt es ein Teilchen Namens "Deltabaryon" welcher aus 3 UP Quarks besteht und diese 3 Quarks haben ebenfalls einen Spin von + oder - 1/2 zusammen haben sie also einen Spin von 3/2 und das verletzt das Pauli Prinzip. Das heißt hier stößt selbst die Quantenmechanik an seine Grenzen und hier brauchen wir eine neue Theorie die Quantenchromodynamik und dann heben wir auch völlig ab :D
wie gesagt ja es funktioniert aber eben nicht mit 2 leitfähigen Stoffen, denn hier würden sie die Ladung direkt wieder abgeben und sich eben nicht "Statisch" aufladen. Bei Isolatoren ist es so, dass die Ladungen auf ihrer Oberfläche nach der Abgabe der Elektronen bleiben, einfach weil keine elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist, es wirken aber elektrisch anziehende Kräfte die die Stoffe nun zusammenhalten. Deshalb bleibt z.b. auch so ein negativ geladener Luftbalon auch am Pullover hängen.
Das heißt. Prinzipiell. Elektrostatik heißt es deshalb weil die Ladungen hier statisch sind. Keine Bewegung bedeutet, dass Ladungen nicht abfließen können. Bei einem elektrischen Leiter wie einem Metall geht es nicht so einfach weil in einem Metall die Ladungen sich frei bewegen, und sie sofort abfließen sobald sie sie die Gelegenheit bekommen. Daher muss ich mich an einer Stelle korrigieren! Es funktioniert daher auch nicht oder nur sehr schlecht mit mit leitfähigem Material und einem Isolator. mit Ionisierten Stoffen geht es allerdings schon denn hier handelt es sich um geladene Atome oder durch Influenzeinwirkungen auf im Gleichspannungsfeld befindliche isolierte Leiter. Das bedeutet, dass die Ladungen im innerhalb des Leiters unterschiedlich verteilt werden und sich so das Metall an manchen Stellen elektrostatisch auflädt und an anderen nicht. diese Ladungen fließen innerhalb des Leiters aber direkt wieder ab sobald der Leiter aus dem Gleichspannungsfeld genommen wird.
So jetzt haben wir es auf jeden Fall richtig :)
Können sie mir erklären wie man hier auf 6,5cm kommt und warum da 6 und 9 steht ?
,,Da sich die Kräfte aufheben sollen, muss
F(Q1;q)= - F(Q2;q) gelten, also
1/(4 pi epsilon0) * (Q1*q)/(3cm +d)^2 = - 1/(4 pi epsilon0) * (Q2*q)/(3cm)^2
das 1/(4 pi epsilon0) und das q ist auf beiden Seiten vorhanden, also können wir es rauskürzen, sodass folgendes übrig bleibt:
Q1/(3cm +d)^2 = - Q2/(3cm)^2
wir stellen nach (3cm +d)^2 um:
(3cm +d)^2 = - (Q1/Q2) * (3cm)^2
oder mit eingesetzten Werten und binomischer Formel:
9cm^2 + 6cm*d + d^2 = - (-10nC/1 nC)* 9cm^2
die nC und das Minus kürzen sich heraus:
d^2 + 6cm*d + 9cm^2 = 90 cm^2
oder
d^2 + 6cm*d - 81 cm^2 =0
die Mitternachtsformel liefert:
d1 = 6,5 cm; d2= -12,5 cm
also ist d=6,5 cm die richtige Lösung,,
wo bist du den jetzt genau? Du hast ja hier offenbar 2 Längen. Das die 6cm und die 9cm sind ja keine direkten realen Werte sondern eine Lösung der Gleichung also eine Schlussfolgerung.
(3cm+d)^2=9cm+6cm+d+d^2
Das Ergebnis links ist also das selbe wie das Ergebnis rechts. die Längen 6cm und 9cm sind ja nicht wirklich da sind aber äquivalent. Ich weiß nicht ob das deine Frage beantwortet ansonsten müsstest du die Aufgabe etwas genauer schildern.
Elektrostatische Ladungen funktionieren nur bei Isolatoren, bei denen die Elektronen haften bleiben, weil bei einem Leiter die Elektronen sofort abfließen würden. Beim Reiben geben Stoffe mit geringerer Elektronegativität ihre Valenzelektronen an Stoffe mit höherer Elektronegativität ab.
Elektronenüberschuss bedeutet negative Ladung, Elektronenmangel positive Ladung (weil dann die positiven Protonen der Kerne überwiegen). Wenn wir uns im Winter bei trockener Luft beim Gehen über einen Kunstfaserteppich aufladen, stehen wir isoliert. Berühren wir Metall, erhalten wir einen Schlag und die Elektronen fließen ab.
Isoliert stehende Metallteile lassen sich durch Abgreifen der Elektronen von bewegten Kunststoffbändern o.ä. natürlich auch laden (vergl. Bandgenerator), solange keine Weiterleitung zu anderen Teilen oder zur Erde besteht.
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-felder-mittelstufe/versuche/bandgenerator
Wenn die Leitern aus nicht aus Metall sind ;-)
Nein, im Ernst, einer der Gegenstände sollte schon nichtleitend sein. Wobei der "Gegenstand" auch flüssig sein kann.
Ja es ist Prinzipiell möglich Jedoch geht es nicht mit 2 leitenden Stoffen, da diese aufgrund ihre elektrische Leitfähigkeit ihre Ladung sofort wieder abgeben würden. Bei einem Isolator ist es anders Ladungen können von einem material in das andere Übergehen durch Reibung etc können aber ohne weiteres nicht einfach abfließen. So kommt es zu der Aufladung.
Danke für ihre ausführliche Antwort,aber funktioniert es jetzt ja oder nein und warum ?