Die bewegte Ladung

Der elektrische Strom ist eine bewegte Ladung. Wenn eine Glimmlampe mit einem Pol an eine starke elektrische Stromquelle verbunden wird und das freie Ende der Glimmlampe mit einer am Isoliergriff festgehaltenen Experimentierkugel kurz berührt wird, leuchtet die Glimmlampe einmal kurz auf. Sie zeigt also einen elektrischen Strom an. Bei einer wiederholten Berührung leuchtet die Glimmlampe nicht mehr. Bei dem Kontakt mit dem Pol der elektrischen Stromquelle wird die Experimentierkugel elektrisch geladen, bis sie keine weitere Ladung mehr aufnehmen kann. So lange leuchtet auch die Glimmlampe. Die Experimentierkugel ist in der Lage die Ladung an einen anderen Körper abzugeben. Der Transport dieser Ladung ist der elektrische Strom.

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse lässt sich beobachten, dass an den Elektroden ein Niederschlag bilden kann oder auch Gase aufsteigen. In der Lösung selbst ist nur eine Veränderung sichtbar, wenn farbiges Salz hinzu gegeben wird. Die Bewegungen lassen sich nun beobachten und gut nachvollziehen. Bei der Elektrolyse ist der elektrische Strom an einen Stofftransport gekoppelt. Die Ionen geben an der entsprechenden Elektrode ihre Ladung ab.

Der glühelektrische Effekt

In einer Röhre befindet sich eine Metallplatte und gegenüber ein dünner Draht, welcher durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht werden kann. Wenn der Draht glüht, wird ein mit der Metallplatte verbundenes positiv geladenes Elektroskop entladen. Ein negativ geladenes Elektroskop hingegen nicht. Der Draht muss daher negativ geladene Teilchen (Elektronen) abgeben. Da diese Elektronen durch Glühen aus dem Metallaustreten wird dieser Effekt glühelektrischer Effekt genannt.

Wird eine Diode so in einen elektrischen Stromkreis angeschlossen, dass ihr Glühdraht mit den Minuspol und ihre Metallplatte mit dem Pluspol der elektrischen Stromquelle verbunden ist, glimmt die Glimmlampe. Diese leuchtet jedoch nicht, wenn der Glühdraht der Diode mit dem Pluspol verbunden ist. Daraus lässt sich folgendes schlussfolgern: in einem geschlossenen Stromkreis bewegen sich in Metallen nur die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol der elektrischen Stromquelle.

Warum bewegen sich Elektronen in Metallen?

Diese Frage beschäftigte Wissenschaftler bereits in der Antike. Man glaubte damals, dass alle Stoffe aus den kleinsten unteilbaren Teilchen, den Atomen, bestehen. Doch erst Anfang des 20. Jahrhunderts gab es beim Experimentieren Anzeichen dafür, dass diese Vorstellung den Tatsachen entspricht. 1911 entwickelte der englische Chemiker und Physiker Ernest Rutherford, das folgende „Rutherfordsche Atommodell“.

1) Sämtliche Stoffe sind aus einzelnen Atomen zusammengesetzt.
2) Die Atome bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer elektrisch negativ geladenen Atomhülle. Sämtliche Ladungen sind gleich groß, so dass das Atom von außen betrachtet elektrisch neutral ist.
3) Die Masse der Atome ist fast vollständig auf den im Vergleich zur Hülle sehr kleinen Kern gerichtet.
4) Die Hülle des Atoms wird von den Elektronen gebildet. In festen Körpern sind die Atome unverrückbar und dicht nebeneinander angeordnet.

Bei elektrischen Nichtleitern sind die Elektronen stets fest an die Atome gebunden. An der Oberfläche lassen sich manchen Atomen durch Reiben Elektronen entnehmen oder hinzufügen. Hierdurch entstehen geladene Teilchen (Ionen). Bei elektrischen Leitern gibt es sehr viele Elektronen, die nicht fest zu einem bestimmten Atom gehören. Diese haben die Möglichkeit sich zu bewegen.

Im elektrischen Stromkreis werden diese Elektronen von der Stromquelle durch den Draht hindurch bewegt. Hierbei bewegen sich immer gleichviele Elektronen in den Leiter hinein und hinaus, sodass dieser elektrisch ungeladen bleibt.

Elektronen sind „zählbar“. Bei einer Ladungsmessung können Elektronen „gezählt“ werden, indem die Elektronen, welche eine Messstelle im Stromkreis passieren zählt. Hierzu wird Knallgaszelle benötigt, welche die Menge der Ladung anzeigt. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb. Die Ladung von einem Coulomb bildet in einer Knallgaszelle 0,19m³ Knallgas (ausgehend von einer Temperatur von 20° Celsius und Normaldruck).