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NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenSamstag, 23. August 2014 

Ladung (Physik)


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Unter Ladung versteht man in der Physik die eines Objektes mit einem Feld wechselzuwirken (mit Ausnahme des Gravitationsfeldes bei dem die Masse die Funktion der Ladung übernimmt). Für Felder gibt es verschiedene voneinander unabhängige Ladungen. tragen Elektronen eine elektrische Ladung aber keine Farbladung Gluonen tragen eine Farbladung aber keine elektrische und Quarks tragen sowohl eine elektrische als auch Farbladung.

Die Ladung bestimmt sowohl welches Feld welcher Stärke vom Teilchen erzeugt wird als wie das Teilchen vom Feld beeinflusst wird.

In der modernen Physik sind Ladungen die nach dem Noether-Theorem zur Eichsymmetrie der zugehörigen Feldtheorie ( Eichtheorie ) gehörige Erhaltungsgröße. Die Ladung eines Objekts jeweils ein lorenzinvarianter Skalar d.h. er wird durch eine einzige gegeben die in allen Bezugssystemen denselben Wert

Die Ladungen der Elementarteilchen sind stets ganzzahlige Vielfache einer bestimmten wobei für jedes Elementarteilchen jede Ladung einen festgelegten nicht veränderbaren Wert hat. So hat jedes Elektron dieselbe elektrische Ladung - e = ca. -1 6·10 -19 C . Das zu einem Teilchen gehörige Antiteilchen hat genau die entgegengesetzen Ladungen. Teilchen überhaupt keine Ladung irgendeiner Art tragen (z.B. Photonen ) sind identisch mit ihrem Antiteilchen.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist ein Phänomen sich unserer direkten sinnlichen Wahrnehmung entzieht. Sie lässt sich lediglich indirekt wie beispielweise über die Kräfte die zwischen wirken. Die elektrische Ladung ist Quelle des elektrischen Feldes . Ihre Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld über die Maxwell'schen Gleichungen und über die Coulomb- und Lorentzkraft beschrieben.

Die Ladung wird im SI-Einheitensystem in der Einheit Coulomb gemessen die von der Grundeinheit Ampere wird.

Vermutlich wurden schon im antiken Griechenland durchgeführt bei denen die von elektrischer Ladung Kräfte beobachtet werden konnten. Beispielsweise wurde eine Kraft von einem Stück Bernstein auf ein leichte Vogelfedern festgestellt nachdem der Bernstein an trockenen Fell gerieben wurde. Deswegen hat man entschlossen derartige Phänomene nach dem griechische Wort (=Bernstein) "elektrisch" zu nennen.

Es gibt genau zwei einander entgegengesetzte Ladungen die man durch ein unterschiedliches Vorzeichen kennzeichnet und dementsprechend als positive oder Ladungen bezeichnet. Die Wahl des Vorzeichen erfolgte willkürlich. Festgelegt wurde dass Protonen eine positive und Elektronen eine negative Ladung zugeordnet werden muss. gleich große entgegengesetzte Ladungen (z.B. von Elektron Proton) heben sich gerade auf. Die Gesamtladung Raumgebietes (wahre Ladung) kann durch folgende Beziehung werden:

<math>Q=Q_++Q_-=\int_{\mathrm{Volumen}}\;\mathrm{d}Q</math>

Die Ladung freier Objekte ist stets ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung . Die Ladung der Quarks ist stets ein ganzzahliges Vielfaches eines der Elementarladung.

Als elektrisch neutral bezeichnet man Objekte Teilchen die keine elektrische Ladung tragen.

Folgende Spezielfälle der Ladungsverteilung können auftreten:

  • Linienladungsdichte
    <math>\lambda=\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}l}</math>
  • Flächenladungsdichte
    <math>\sigma=\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}A}</math>
  • Raumladungsdichte
    <math>\rho=\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}V}</math>

Die allgemeine Formel für den Zusammenhang Ladung und Strom:

<math>Q=I\cdot t</math>
Q : Elektrische Ladung
I : Elektrischer Strom
t : Zeit

Im Falle veränderlicher Ströme gilt genauer

<math>\mathrm{d}Q=I(t)\cdot\mathrm{d}t</math>
d Q : Infinitesimale Veränderung der Ladung
d t : Infinitesimale Veränderung der Zeit
I(t) : Stromstärke zum Zeitpunkt t

Farbladung

Die Farbladung ist die zur starken Kraft (Farbkraft) gehörige Ladung. Es gibt drei Ladungen die sich zusammen zur Ladung Null In Analogie zur additiven Farbmischung nennt man diese drei Ladungen "rot" und "blau" und Teilchen ohne Farbladung nennt "weiß". Die Farben der zugehörigen Antiteilchen nennt "antirot" "antigrün" und "antiblau". Ein weißes Teilchen sowohl durch die Kombination einer Farbe mit Antifarbe als auch durch die Kombination der Farben oder der drei Antifarben gebildet werden. diese Möglichkeiten kommen in der Natur vor.

Teilchen mit Farbladung können nie einzeln sondern sind stets in insgesamt weißen (farbneutralen) gebunden. Dieses so genannte Confinement liegt daran dass - anders als elektromagnetischen Feld - die Feldquanten (Gluonen) ihrerseits Farbladung tragen und sich gegenseitig anziehen. Dadurch die Energie die man bräuchte um Teilchen mit voneinander zu trennen so groß dass sie Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren ausreicht die insgesamt die wieder zu farbneutralen Objekten ergänzen. Dies ist der Grund warum die starke Kernkraft so ist obwohl die Gluonen wie die Photonen masselos sind.

Zu beachten ist dass die Farben Farbladung nichts mit der Farbe von Objekten zu tun hat. Diese eine Eigenschaft die unser Sehsystem aus dem elektromagnetischen Spektrum der Objekte ableitet. Die Bezeichnungen sowie die Verwendung der Farbnamen für die sind nur als reine Analogie zu verstehen.

Schwache Ladung

Auch zur schwachen Wechselwirkung gehört eine die schwache Ladung. Wie die elektrische Ladung auch die schwache Ladung nur in ganzzahligen einer "schwachen Elementarladung" g vor. In der Theorie der elektroschwachen hängen elektrische und schwache Ladung miteinander über Weinbergwinkel zusammen:

<math>e = g \cdot \sin \theta_W</math>
Nur die linkshändigen elementaren Fermionen ( Quarks und Leptonen ) tragen eine schwache Ladung (Paritätsverletzung) und jeweils vom Betrag g .



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