Elektrische Ladung und Elektronen

Stromfluss, Magnetfelder, der Funke beim Aussteigen aus dem Auto — alle diese Erscheinungen lassen sich auf ein einziges Konzept zurückführen: die elektrische Ladung. Wer dieses Konzept verstanden hat, hat den Boden, auf dem die gesamte Elektrotechnik steht. In diesem Beitrag schauen wir uns an, was eine Ladung ist, wo sie im Atom sitzt, wie sie gemessen wird und welche Kräfte sie ausübt.

Vorwissen

Lernziele

Nach diesem Beitrag kannst du:

Aufbau eines Atoms erklären und sagen, wo die Ladung sitzt
den Zusammenhang zwischen Ladungsmenge in Coulomb und der Anzahl beteiligter Elektronen berechnen
die Kraft zwischen zwei Punktladungen mit dem Coulomb’schen Gesetz bestimmen
die drei Mechanismen der elektrostatischen Aufladung unterscheiden
die wichtigsten Maßnahmen des ESD-Schutzes in der Elektronik benennen

1. Was ist elektrische Ladung?

Elektrische Ladung ist keine Substanz, sondern eine Eigenschaft, die manche Elementarteilchen besitzen. Ähnlich wie Masse: niemand kann „Masse“ in ein Glas füllen, aber jedes Stück Materie hat sie. Mit der Ladung ist es genauso — nur dass sie zusätzlich in zwei Varianten vorkommt.

Zwei Vorzeichen

Ladungen gibt es als positiv und negativ. Die Bezeichnungen gehen auf Benjamin Franklin zurück, der im 18. Jahrhundert eine willkürliche Konvention festlegte. Im Sinn der Konvention gilt:

gleichnamige Ladungen stoßen einander ab
ungleichnamige Ladungen ziehen einander an

Diese Grundregel ist eine der wichtigsten in der gesamten Elektrotechnik. Aus ihr folgt am Ende, warum überhaupt Strom fließt, warum Kondensatoren funktionieren und warum sich Motoren drehen.

Die Ladungsträger

Die kleinsten Bausteine der Materie sind in unserem Zusammenhang Proton, Neutron und Elektron. Sie unterscheiden sich in ihrer Ladung:

Proton: positiv geladen
Elektron: negativ geladen
Neutron: ungeladen (neutral)

Bemerkenswert: Proton und Elektron tragen dem Betrag nach exakt gleich viel Ladung, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. In ihrer Masse unterscheiden sie sich dagegen drastisch — ein Proton ist rund 1.836-mal schwerer als ein Elektron. Trotzdem zählt elektrisch nur die Ladung, nicht die Masse.

In der Elektrotechnik sind es fast immer die Elektronen, die sich bewegen — Protonen sitzen fest im Atomkern und sind für Stromfluss in Drähten irrelevant.

Welche Aussage über elektrische Ladung trifft zu?

a) Ladung ist eine Substanz, die in geladenen Körpern enthalten ist.
b) Ladung ist eine Eigenschaft bestimmter Elementarteilchen.
c) Ladung gibt es nur bei Metallen.
d) Ladung ist immer positiv.

Richtig: b)

Ladung ist eine fundamentale physikalische Eigenschaft, keine eigene Substanz. Sie kommt in zwei Vorzeichen vor, und auch Nichtmetalle können Ladungen tragen — zum Beispiel ein geriebener Kunststoffkamm.

Zwei Körper sind beide positiv geladen. Was passiert, wenn man sie einander annähert?

a) Sie ziehen einander an.
b) Sie verlieren ihre Ladung.
c) Sie stoßen einander ab.
d) Sie verhalten sich neutral zueinander.

Richtig: c)

Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab — eine der wichtigsten Grundregeln. Ein Verlust der Ladung tritt erst bei direkter Berührung oder über eine leitende Verbindung auf.

Welches Teilchen trägt keine elektrische Ladung?

a) Neutron
b) Elektron
c) Proton
d) Ion

Richtig: a)

Das Neutron ist elektrisch neutral. Elektron (negativ) und Proton (positiv) tragen je eine Elementarladung. Ionen sind Atome mit Elektronenüberschuss oder -mangel und daher immer geladen.

2. Atomaufbau – wo die Ladung sitzt

Wenn man wissen will, woher die Ladung in einem Stück Metall oder Kunststoff kommt, muss man auf die Ebene der Atome heruntergehen. Wir benutzen dafür ein vereinfachtes Bild — das Bohr’sche Atommodell. Für die moderne Quantenmechanik ist es zu grob, aber für die Elektrotechnik reicht es vollständig aus.

Kern und Hülle

Jedes Atom besteht aus zwei Teilen:

Atomkern: ganz innen, enthält Protonen (positiv) und Neutronen (neutral). Der Kern macht praktisch die gesamte Masse des Atoms aus.
Atomhülle: ringsherum, bestehend aus Elektronen (negativ). Diese bewegen sich auf sogenannten Schalen um den Kern.

Im normalen Zustand enthält ein Atom gleich viele Protonen wie Elektronen. Die positiven und negativen Ladungen heben sich exakt auf — das Atom ist nach außen neutral. Die Anzahl der Protonen heißt Ordnungszahl und legt fest, um welches Element es sich handelt (Wasserstoff hat 1, Sauerstoff 8, Kupfer 29 und so weiter).

Elementarladung und Ionen

Die Ladung eines einzelnen Elektrons oder Protons heißt Elementarladung und wird mit dem Buchstaben e abgekürzt. Sie ist die kleinste Ladungsmenge, die in der Praxis frei beobachtet werden kann. Alles, was wir an Ladung messen, ist letztlich ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung.

Wenn ein Atom Elektronen abgibt oder aufnimmt, gerät die Bilanz aus der Balance, und das Atom wird zum Ion:

Elektronen abgegeben → mehr Protonen als Elektronen → positives Ion (Kation)
Elektronen aufgenommen → mehr Elektronen als Protonen → negatives Ion (Anion)

Welche Elektronen ein Atom verlieren oder aufnehmen kann, hängt von ihrer Lage in der Hülle ab. Die Elektronen in der äußersten Schale — die sogenannten Valenzelektronen — sind am schwächsten an den Kern gebunden. Bei elektrischen Vorgängen sind fast immer sie es, die in Bewegung geraten.

Ein Atom hat 11 Protonen, 12 Neutronen und 10 Elektronen. Welche Aussage stimmt?

a) Es ist neutral, weil Neutronen die Ladung ausgleichen.
b) Es ist ein negatives Ion mit Ladung −e.
c) Es ist ein positives Ion mit Ladung +e.
d) Eine derartige Konfiguration kann es nicht geben.

Richtig: c)

Mit 11 Protonen und nur 10 Elektronen überwiegt die positive Ladung um genau eine Elementarladung. Neutronen sind ungeladen und tragen nichts zur Bilanz bei. Solche Konfigurationen sind in der Natur sehr häufig — sie heißen Ionen, hier konkret ein Natrium-Kation.

Welcher Teil eines Atoms enthält praktisch die gesamte Masse?

a) Die Elektronenhülle.
b) Der Kern.
c) Beide gleich.
d) Die Valenzelektronen.

Richtig: b)

Protonen und Neutronen sitzen im Kern und sind jeweils rund 1.836-mal schwerer als ein Elektron. Die Hülle trägt fast nichts zur Masse bei. Trotzdem ist sie elektrisch entscheidend — dort sitzen die beweglichen Ladungsträger.

Welche Elektronen einer Atomhülle sind am leichtesten ablösbar?

a) Die kernnächsten Elektronen.
b) Alle Elektronen sind gleich stark gebunden.
c) Die schwersten Elektronen.
d) Die Valenzelektronen in der äußersten Schale.

Richtig: d)

Die Bindung an den Kern nimmt mit zunehmendem Abstand ab. Die äußersten Elektronen — die Valenzelektronen — sind am schwächsten gebunden und damit am leichtesten ablösbar. Alle Elektronen haben übrigens dieselbe Masse; „schwer“ und „leicht“ ergibt hier physikalisch keinen Sinn.

3. Die Einheit Coulomb

Ein einzelnes Elektron trägt eine winzige Ladung. Wie winzig genau? Und wie viele Elektronen braucht es, bis man von der Standardeinheit Coulomb sprechen kann? In diesem Kapitel klären wir die Zahlen.

Elementarladung und Coulomb

Die Elementarladung beträgt:

e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C

e … Elementarladung in Coulomb

Das ist eine ungeheuer kleine Zahl. Anders herum gefragt: wie viele Elementarladungen ergeben eigentlich ein Coulomb? Die Rechnung 1 / e liefert:

1 C ≈ 6,242 · 10¹⁸ Elementarladungen

Über sechs Trillionen Elektronen, um auf 1 Coulomb zu kommen. Daraus ergibt sich auch sofort, warum man in der Elektronik so gut wie nie mit ganzen Coulomb arbeitet, sondern fast immer mit μC (Mikrocoulomb), nC (Nanocoulomb) oder pC (Picocoulomb).

Die zugehörige Formel zur Umrechnung lautet:

Q = n · e

Q … Ladungsmenge in Coulomb (C)
n … Anzahl der Elementarladungen
e … Elementarladung, e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C

Zusammenhang mit dem elektrischen Strom

Elektrischer Strom ist nichts anderes als bewegte Ladung. Konkret gilt:

Q = I · t

Q … Ladungsmenge in Coulomb (C)
I … Stromstärke in Ampere (A)
t … Zeit in Sekunden (s)

Ein Ampere ist also ein Coulomb pro Sekunde. Was elektrischer Strom genau ist und welche Wirkungen er hat, behandelt der eigene Beitrag Elektrischer Strom – Definition und Wirkungen.

Ladungserhaltung

Eine wichtige Eigenschaft der Ladung: sie ist eine Erhaltungsgröße. In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller positiven und negativen Ladungen unverändert. Ladungen können getrennt, verschoben oder ausgeglichen werden — aber nicht erzeugt oder vernichtet. Wenn an einer Stelle ein Elektron verschwindet, taucht es zwingend an einer anderen Stelle wieder auf.

Gelöstes Beispiel

Wie viele Elektronen werden in 5 Sekunden durch den Querschnitt eines Drahtes transportiert, wenn ein konstanter Strom von 0,5 A fließt?

Gegeben:

I = 0,5 A
t = 5 s

Gesucht: Anzahl der Elektronen n

Lösungsweg:

Schritt 1 — Ladungsmenge: Q = I · t = 0,5 A · 5 s = 2,5 C
Schritt 2 — Anzahl der Elektronen: n = Q / e = 2,5 C / (1,602 · 10⁻¹⁹ C) ≈ 1,56 · 10¹⁹

Ergebnis: ca. 1,56 · 10¹⁹ Elektronen

Übungen

Welche Ladung tragen insgesamt 10 freie Elektronen?

Q = 10 · e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁸ C

Berechne die Ladungsmenge, die bei einem Strom von 2 A in 10 Sekunden transportiert wird.

Q = I · t = 2 · 10 = 20 C

Wie vielen Elektronen entspricht eine Ladungsmenge von 1 μC?

n = Q / e = 10⁻⁶ / (1,602 · 10⁻¹⁹) ≈ 6,24 · 10¹² Elektronen

Durch einen Leiter fließt 3 Minuten lang ein Strom von 200 mA. Welche Ladungsmenge ist insgesamt geflossen?

t = 180 s; Q = 0,2 A · 180 s = 36 C

Ein Kondensator trägt eine Ladung von 47 nC. In welcher Zeit lässt sich diese Ladung über einen konstanten Strom von 0,1 mA vollständig abführen?

t = Q / I = 47 · 10⁻⁹ / 10⁻⁴ = 4,7 · 10⁻⁴ s = 0,47 ms

Welche Ladungsmenge entspricht einer Anzahl von 6,242 · 10¹⁸ Elektronen?

a) 1 μC
b) 1 mC
c) 1 nC
d) 1 C

Richtig: d)

6,242 · 10¹⁸ Elementarladungen ergeben per Definition näherungsweise 1 Coulomb. Die anderen Einheiten sind um 6 (μC), 3 (mC) bzw. 9 Zehnerpotenzen (nC) kleiner.

Welche Ladungsmenge fließt durch einen Leiter, wenn 2 Minuten lang ein konstanter Strom von 250 mA aufrechterhalten wird?

a) 30 C
b) 500 C
c) 0,5 C
d) 5 C

Richtig: a)

Q = I · t. Die Zeit muss zuerst in Sekunden umgerechnet werden: 2 min = 120 s. Damit ergibt sich Q = 0,25 A · 120 s = 30 C. Ein häufiger Fehler ist es, die Minuten unverändert einzusetzen oder die Vorzeichen-Vorsilbe „milli“ zu vergessen.

Was sagt der Ladungserhaltungssatz aus?

a) Ladungen können nicht getrennt werden.
b) Die Summe der Ladungen in einem abgeschlossenen System bleibt konstant.
c) Ladung wird im Stromkreis allmählich verbraucht.
d) Positive Ladungen verschwinden mit der Zeit.

Richtig: b)

Ladung ist eine Erhaltungsgröße. In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller positiven und negativen Ladungen unverändert. Ladungen können verschoben oder getrennt werden, aber sie verschwinden nicht. Ein „Verbrauch von Ladung“ gibt es nicht — in einem Stromkreis wird Energie umgesetzt, nicht Ladung.

Eine Batterie hat eine Nennkapazität von 2 Ah. Welche Ladungsmenge speichert sie?

a) 2 C
b) 120 C
c) 7.200 C
d) 2.000 C

Richtig: c)

1 Ah entspricht 1 A · 3.600 s = 3.600 C. Bei 2 Ah ergeben sich 7.200 C. Die häufige Fehlerquelle ist die Umrechnung von Stunden in Sekunden — wer nur „2 · 1.000″ rechnet, landet bei der scheinbar plausiblen 2.000.

4. Anziehung und Abstoßung – das Coulomb’sche Gesetz

Dass sich Ladungen anziehen oder abstoßen, wissen wir aus Kapitel 1. Aber wie stark ist diese Kraft? Charles-Augustin de Coulomb hat das Ende des 18. Jahrhunderts experimentell geklärt und in einer einfachen Formel gefasst.

Die Formel

F = k · Q₁ · Q₂ / r²

F …. Kraft in Newton (N)
k …. Coulomb-Konstante, k ≈ 8,99 · 10⁹ N·m²/C²
Q₁ … erste Ladung in Coulomb (C)
Q₂ … zweite Ladung in Coulomb (C)
r …. Abstand zwischen den Ladungen in Meter (m)

Was die Formel in Worten aussagt:

Die Kraft ist proportional zum Produkt der beiden Ladungen. Wird eine Ladung verdoppelt, verdoppelt sich auch die Kraft. Werden beide verdoppelt, vervierfacht sie sich.
Die Kraft fällt quadratisch mit dem Abstand. Verdoppelung des Abstands bringt nur ein Viertel der Kraft. Verdreifachung sogar nur ein Neuntel.

Vorzeichen und Richtung

Setzt man Vorzeichen der Ladungen mit ein, gibt das Vorzeichen des Ergebnisses Aufschluss über die Wirkung:

gleiches Vorzeichen → Produkt positiv → Kraft stößt ab
verschiedenes Vorzeichen → Produkt negativ → Kraft zieht an

Die Formel gilt streng genommen für Punktladungen — also Ladungen, deren räumliche Ausdehnung klein gegenüber dem Abstand ist. Bei kugelförmigen Körpern mit gleichmäßiger Ladungsverteilung darf man den Abstand zwischen den Mittelpunkten verwenden.

Brücke zum elektrischen Feld

Eine Ladung wirkt nicht direkt auf eine andere — sie erzeugt um sich herum ein elektrisches Feld, und dieses Feld übt auf andere Ladungen Kraft aus. Wie dieses Feld aussieht, wie man es darstellt und wie man Feldstärken berechnet, ist Thema des Beitrags Das elektrische Feld.

Gelöstes Beispiel

Zwei positive Punktladungen Q₁ = 2 μC und Q₂ = 3 μC stehen in einem Abstand von 5 cm zueinander. Wie groß ist die Kraft zwischen ihnen?

Gegeben:

Q₁ = 2 · 10⁻⁶ C
Q₂ = 3 · 10⁻⁶ C
r = 0,05 m

Gesucht: F in N

Lösungsweg:

Schritt 1 — Produkt der Ladungen: Q₁ · Q₂ = 2 · 10⁻⁶ · 3 · 10⁻⁶ = 6 · 10⁻¹² C²
Schritt 2 — Quadrat des Abstands: r² = (0,05 m)² = 0,0025 m²
Schritt 3 — Coulombkraft: F = k · Q₁ · Q₂ / r² = 8,99 · 10⁹ · 6 · 10⁻¹² / 0,0025 ≈ 21,6 N

Ergebnis: F ≈ 21,6 N, abstoßend (gleichnamige Ladungen)

Übungen

Zwei gleichgroße positive Ladungen von je 1 μC stehen in 1 m Abstand zueinander. Wie groß ist die Kraft zwischen ihnen?

F ≈ 8,99 · 10⁻³ N ≈ 9 mN

Die beiden Ladungen aus Übung 1 werden auf 50 cm Abstand zusammengeschoben. Wie groß ist die Kraft jetzt?

F ≈ 36 mN (vierfacher Wert, weil halber Abstand)

Welcher Abstand ergibt zwischen zwei Ladungen Q₁ = Q₂ = 1 nC eine Kraft von genau 1 mN?

r = √(k · Q₁ · Q₂ / F) = √(8,99 · 10⁹ · 10⁻¹⁸ / 10⁻³) ≈ 3 · 10⁻³ m = 3 mm

Zwei Ladungen Q₁ = +5 μC und Q₂ = −2 μC stehen einander in 10 cm Abstand gegenüber. Wie groß ist die Kraft und ist sie anziehend oder abstoßend?

F ≈ 8,99 N, anziehend (ungleichnamig)

Eine Ladung Q₁ wird verdoppelt, gleichzeitig wird der Abstand zur zweiten Ladung verdreifacht. Um welchen Faktor ändert sich die Coulombkraft?

Faktor 2 · 1/9 = 2/9 ≈ 0,222 — also auf rund 22 % der ursprünglichen Kraft

Welche Aussage zum Coulomb’schen Gesetz ist korrekt?

a) Die Kraft ist umgekehrt proportional zum Abstand.
b) Die Kraft fällt mit dem Quadrat des Abstands.
c) Die Kraft hängt nur vom Produkt der Ladungen ab, nicht vom Abstand.
d) Die Kraft fällt mit der dritten Potenz des Abstands.

Richtig: b)

F = k · Q₁ · Q₂ / r² — der Abstand geht quadratisch in den Nenner. Eine bloße umgekehrte Proportionalität (1/r) würde die Kraft nur halb so stark mit dem Abstand abklingen lassen. Antwort c) ignoriert den Abstand komplett, was schlicht falsch ist.

Verdreifacht man den Abstand zwischen zwei Punktladungen, ändert sich die Kraft auf welchen Wert?

a) ein Neuntel
b) ein Drittel
c) ein Sechstel
d) ein Zwanzigstel

Richtig: a)

Der Abstand geht quadratisch ein. Verdreifachung bedeutet 1/3² = 1/9 der ursprünglichen Kraft. Wer Antwort b) wählt, hat den quadratischen Zusammenhang übersehen — eine sehr häufige Stolperfalle.

Zwei Ladungen werden jeweils auf das Doppelte erhöht, der Abstand bleibt unverändert. Wie ändert sich die Kraft?

a) Verdoppelung
b) Verdreifachung
c) Vervierfachung
d) Verachtfachung

Richtig: c)

Beide Ladungen gehen direkt in das Produkt ein. Werden beide verdoppelt, ergibt sich 2 · 2 = 4 — die Kraft wird also vervierfacht.

Eine positive und eine negative Punktladung stehen einander gegenüber. Was passiert?

a) Sie stoßen einander ab.
b) Sie heben einander auf.
c) Es wirkt keine Kraft.
d) Sie ziehen einander an.

Richtig: d)

Ungleichnamige Ladungen ziehen einander an. Sie heben einander nur dann auf, wenn sie sich physikalisch ausgleichen können — also direkten Kontakt haben oder über einen Leiter verbunden sind. Bloßes Gegenüberstehen heißt noch nicht Ausgleichen.

5. Elektrostatische Aufladung in der Praxis

Im Alltag haben wir’s alle erlebt: Pullover über den Kopf gezogen, kurz darauf die Türklinke berührt — und es funkt. Was da passiert, ist nichts anderes als elektrostatische Aufladung. Im Werkstattalltag, vor allem in der Elektronikfertigung, kann genau dieselbe Erscheinung sehr teure Schäden verursachen.

Drei Mechanismen der Ladungstrennung

Es gibt im Wesentlichen drei Wege, wie ein zuvor neutraler Körper geladen werden kann:

Reibung (Reibungselektrizität). Zwei Stoffe werden gegeneinander gerieben. Dabei wandern Elektronen vom einen zum anderen Stoff. Welcher Stoff Elektronen abgibt und welcher sie aufnimmt, ist materialabhängig und in der sogenannten triboelektrischen Reihe geordnet. Bekannte Beispiele: Pullover und Haare, Schuhsohle und Teppichboden, Kunststoffhose und Fahrersitz.
Berührung (Kontaktelektrizität). Ein bereits geladener Körper berührt einen ungeladenen. Die Ladung verteilt sich auf beide. Beim Ausstieg aus dem Auto sorgt eben dieser Mechanismus dafür, dass die aufgeladene Person beim Anfassen der Karosserie entlädt.
Influenz (Polarisation). Ein geladener Körper nähert sich einem ungeladenen Leiter, ohne ihn zu berühren. Die frei beweglichen Ladungsträger im Leiter werden verschoben: Die der Quelle zugewandte Seite trägt das Gegenvorzeichen, die abgewandte Seite das gleiche Vorzeichen wie der nahende Körper. Der Leiter bleibt insgesamt neutral, aber die Ladung ist räumlich getrennt.

Was passiert mit der Ladung danach?

Auf einem Isolator (Pullover, Kunststoff, Glas) bleibt die Ladung lokal sitzen — mangels freier Ladungsträger kann sie nicht abfließen. Auf einem Leiter verteilt sie sich blitzschnell und sucht den Weg ins Erdpotenzial, sobald eine leitende Verbindung besteht. Was Stoffe genau zu Leitern, Halbleitern oder Isolatoren macht, ist Thema des Beitrags Leiter, Halbleiter und Isolatoren.

ESD-Schutz in der Elektronik

Empfindliche Halbleiterbauteile reagieren auf elektrostatische Entladungen schon bei Spannungen, die der Mensch überhaupt nicht wahrnimmt. Während wir eine Entladung erst ab etwa 3.000 V als kleinen Funken spüren, können bestimmte MOSFET-Strukturen bereits ab wenigen hundert Volt geschädigt werden. Bis zur Wahrnehmungsschwelle ist das Bauteil längst defekt.

Tückisch ist, dass die meisten ESD-Schäden zunächst latent bleiben — das Bauteil funktioniert nach dem Ereignis noch, hat aber eine geschwächte Halbleiterstruktur und fällt Wochen oder Monate später im Feld aus. Genau das macht ESD-Schäden so teuer.

In professionellen Arbeitsumgebungen wird daher mit einer Reihe von Schutzmaßnahmen gearbeitet:

EPA (ESD Protected Area): ein abgegrenzter Arbeitsbereich, in dem alle Oberflächen, Werkzeuge, Stühle und Personen auf gleichem Erdpotenzial liegen
Erdungsband am Handgelenk: verbindet die Person über einen Hochohmwiderstand (typischerweise 1 MΩ) mit Erde, sodass sich aufbauende Ladung kontinuierlich und kontrolliert abfließt
ESD-Arbeitsmatte: leitfähiger Tischbelag, der ebenfalls geerdet ist
ESD-Schutzkleidung und leitfähige Schuhe: verhindern den Aufbau elektrostatischer Ladung schon im Ansatz
Leitfähige Verpackung: sensible Bauteile werden in metallisierten oder leitfähigen Beuteln transportiert

In Österreich regelt die Normenreihe ÖNORM EN 61340 den ESD-Schutz, insbesondere die ÖNORM EN 61340-5-1, die die allgemeinen Anforderungen an EPAs und den Schutz elektronischer Bauelemente festlegt.

Ausblick

Damit ist der Grundstein gelegt. In den nächsten Beiträgen kommen die Folgegrößen ins Spiel:

bewegte Ladung ist elektrischer Strom
die Energie, die pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten zur Verfügung steht, ist die elektrische Spannung
ein Bauteil, das gezielt Ladung speichert, ist der Kondensator

Welcher Vorgang beschreibt die Influenz?

a) Zwei Körper werden gegeneinander gerieben.
b) Eine geladene Person berührt eine Türklinke.
c) Ein geladener Körper nähert sich einem Leiter, ohne ihn zu berühren, und verschiebt die Ladungsträger im Leiter.
d) Ein Elektron springt von einem Atom zum nächsten.

Richtig: c)

Influenz beschreibt die Ladungsverschiebung in einem Leiter durch Annäherung einer geladenen Quelle — ohne direkte Berührung. Antwort a) beschreibt Reibungselektrizität, b) beschreibt Berührung.

Warum kann elektrostatische Aufladung Halbleiterbauteile zerstören, ohne dass die Person die Entladung überhaupt bemerkt?

a) Bauteile werden bereits durch Spannungen geschädigt, die weit unter der menschlichen Wahrnehmungsschwelle für Funken liegen.
b) Halbleiter sind extrem teuer.
c) Die Bauteile sind aus Glas.
d) Der menschliche Körper kann elektrische Spannungen grundsätzlich nicht erfassen.

Richtig: a)

Empfindliche Halbleiterstrukturen werden teilweise schon bei wenigen hundert Volt geschädigt, während der Mensch eine Entladung erst ab rund 3.000 V als Funke wahrnimmt. Bis zur Wahrnehmungsschwelle ist das Bauteil längst beschädigt.

Wozu dient ein Erdungsband am Handgelenk in der EPA?

a) Es zeigt an, wer den Arbeitsbereich betreten darf.
b) Es misst die Körperspannung der Person.
c) Es isoliert die Person vom Boden.
d) Es lässt elektrostatische Ladung kontrolliert über einen Hochohmwiderstand zur Erde abfließen.

Richtig: d)

Das Erdungsband stellt eine definierte, hochohmige Verbindung der Person zur Erde her. Eine sich aufbauende Ladung kann so kontinuierlich und langsam abfließen, ohne dass Funken überspringen. Eine niederohmige Verbindung wäre aus Sicherheitsgründen ungeeignet, eine Isolation wäre kontraproduktiv.

Welche Norm regelt in Österreich den ESD-Schutz elektronischer Bauelemente in EPAs?

a) ÖNORM EN 61340-5-1
b) ÖNORM EN 10027
c) ÖVE/ÖNORM E 8101
d) ÖNORM EN 60617

Richtig: a)

ÖNORM EN 61340-5-1 ist Teil der EN-61340-Reihe und regelt konkret den Schutz elektronischer Bauelemente vor elektrostatischen Phänomenen. EN 10027 regelt Stahlbezeichnungen, ÖVE/ÖNORM E 8101 elektrische Niederspannungsanlagen und EN 60617 die grafischen Symbole für Schaltpläne.

Abschlusstest

Aufgabe 1: Durch eine Glühlampe fließt ein konstanter Strom von 240 mA. Wie viele Elektronen passieren in einer Stunde den Glühfaden?

Gegeben:

I = 0,24 A
t = 3.600 s

Gesucht: Anzahl der Elektronen n

Lösungsweg:

Q = I · t = 0,24 · 3.600 = 864 C
n = Q / e = 864 / (1,602 · 10⁻¹⁹) ≈ 5,39 · 10²¹

Ergebnis: ca. 5,39 · 10²¹ Elektronen

Aufgabe 2: Zwei Punktladungen Q₁ = 4 μC und Q₂ = −6 μC stehen einander in 8 cm Abstand gegenüber. Welche Kraft wirkt zwischen ihnen?

Gegeben:

Q₁ = 4 · 10⁻⁶ C
Q₂ = −6 · 10⁻⁶ C
r = 0,08 m

Gesucht: F

Lösungsweg:

F = k · |Q₁ · Q₂| / r² = 8,99 · 10⁹ · (4 · 10⁻⁶ · 6 · 10⁻⁶) / (0,08)²
F = 8,99 · 10⁹ · 2,4 · 10⁻¹¹ / 0,0064
F ≈ 33,7 N

Ergebnis: F ≈ 33,7 N, anziehend (ungleichnamige Ladungen)

Aufgabe 3: Welcher Abstand muss zwischen zwei gleichen Ladungen von je 5 nC liegen, damit die abstoßende Kraft genau 1 mN beträgt?

Gegeben:

Q₁ = Q₂ = 5 · 10⁻⁹ C
F = 1 · 10⁻³ N

Gesucht: r

Lösungsweg:

r = √(k · Q₁ · Q₂ / F)
r = √(8,99 · 10⁹ · 25 · 10⁻¹⁸ / 10⁻³)
r = √(2,2475 · 10⁻⁷)
r ≈ 4,74 · 10⁻⁴ m

Ergebnis: r ≈ 0,47 mm

Aufgabe 4: Ein Lithium-Ionen-Akku hat eine Nennkapazität von 3.000 mAh. Welche Ladungsmenge in Coulomb speichert er im voll geladenen Zustand?

Gegeben:

C_n = 3.000 mAh = 3 Ah

Gesucht: Q in C

Lösungsweg:

1 Ah entspricht 3.600 C
Q = 3 · 3.600 = 10.800 C

Ergebnis: Q = 10.800 C

Welche Aussage über die Elementarladung ist korrekt?

a) Sie ist nur in Halbleitern messbar.
b) Sie ist die kleinste vorkommende freie Ladungsmenge.
c) Sie ist gleich groß wie das Coulomb.
d) Sie nimmt mit der Temperatur ab.

Richtig: b)

Die Elementarladung e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C ist die kleinste freie Ladung, die in der Natur beobachtet wird. Sie ist eine Naturkonstante — temperaturunabhängig und in allen Stoffen gleich groß.

Ein neutrales Atom besteht aus 17 Protonen, 18 Neutronen und 17 Elektronen. Welche Aussage stimmt?

a) Es ist insgesamt negativ geladen, weil mehr Neutronen als Protonen vorhanden sind.
b) Es ist insgesamt positiv geladen, weil Protonen schwerer sind.
c) Es ist elektrisch neutral, weil Protonen- und Elektronenanzahl übereinstimmen.
d) Es ist ein Ion mit Ladung +e.

Richtig: c)

Für die elektrische Bilanz zählen nur Protonen und Elektronen — Neutronen sind ungeladen. Bei 17 zu 17 herrscht Gleichstand, das Atom ist neutral. Die Masseunterschiede zwischen Protonen und Elektronen spielen für die Ladung keine Rolle.

Was beschreibt der Ladungserhaltungssatz?

a) Ladung kann nicht erzeugt oder vernichtet, nur verschoben werden.
b) Ladung verliert mit zunehmender Entfernung an Stärke.
c) Eine Batterie verbraucht im Stromkreis Ladung.
d) Ladung wandelt sich mit der Zeit in Wärme um.

Richtig: a)

Der Ladungserhaltungssatz ist eine der wichtigsten Bilanzaussagen der Physik. Eine Batterie entlädt sich, weil sich chemische Energie aufbraucht — die Ladungsmenge, die zwischen den Polen wandert, bleibt aber erhalten.

Verdoppelt man eine Ladung und gleichzeitig den Abstand zur zweiten Ladung, ändert sich die Coulombkraft um welchen Faktor?

a) 1 (unverändert)
b) 1/2
c) 2
d) 1/4

Richtig: b)

F ∝ Q₁ · Q₂ / r². Verdopplung einer Ladung bringt Faktor 2. Verdopplung des Abstands bringt Faktor 1/4. Insgesamt: 2 · 1/4 = 1/2.

Welche Konsequenz hat die Verdoppelung beider Ladungen und gleichzeitige Halbierung des Abstands?

a) Die Kraft bleibt gleich.
b) Die Kraft vervierfacht sich.
c) Die Kraft verachtfacht sich.
d) Die Kraft versechzehnfacht sich.

Richtig: d)

2 · 2 = 4 (Ladungen). (1 / 0,5)² = 4 (Abstand). Insgesamt 4 · 4 = 16. Dieses Rechenbeispiel zeigt, wie schnell die Coulombkraft eskalieren kann, wenn mehrere Faktoren in dieselbe Richtung wirken.

Wie viele Elektronen entsprechen einer Ladung von 1 nC?

a) ca. 6,24 · 10⁹
b) ca. 6,24 · 10¹⁸
c) ca. 1,602 · 10⁻¹⁹
d) ca. 1 Million

Richtig: a)

1 C entspricht 6,24 · 10¹⁸ Elementarladungen. 1 nC ist 10⁻⁹ C, also der milliardste Teil — entsprechend 6,24 · 10⁹ Elektronen. Antwort b) wäre die Anzahl für 1 C, nicht für 1 nC.

Welche Aussage zur elektrostatischen Aufladung ist korrekt?

a) Sie tritt ausschließlich in trockenen Räumen auf.
b) Sie kann durch Reibung, Berührung oder Influenz entstehen.
c) Sie ist immer positiv.
d) Sie tritt nur an Metallen auf.

Richtig: b)

Aufladung kann auf drei Wegen entstehen — Reibung, Berührung und Influenz. Vorzeichen und Material sind nicht festgelegt. Hohe Luftfeuchtigkeit verringert zwar das Risiko, schließt es aber nicht aus.

Welches Verhalten ist beim Arbeiten in einer EPA zwingend einzuhalten?

a) Vor dem Betreten Hände waschen.
b) Bauteile zwischen den Fingern wärmen, damit kein Funke überspringt.
c) Erdungsband anlegen und Bauteile nur auf der ESD-Matte oder in leitfähiger Verpackung handhaben.
d) Geräte direkt aus der Versandfolie nehmen, bevor man den Bereich betritt.

Richtig: c)

Erdungsband und ESD-Matte sind das Grundgerüst des Schutzes. Versandfolien dürfen erst innerhalb der EPA geöffnet werden, das „Wärmen“ zwischen den Fingern ist Unsinn und vergrößert sogar das ESD-Risiko durch Reibung.

Warum verflüchtigt sich die Ladung an einem geriebenen Kunststoffstab nicht von selbst?

a) Die Ladung wandelt sich in Wärme um.
b) Wolle nimmt die Ladung später wieder zurück.
c) Die Ladung verteilt sich in die Luft.
d) Kunststoff ist ein Isolator — mangels freier Ladungsträger kann die Ladung nicht abfließen.

Richtig: d)

Isolatoren halten lokale Ladungen über lange Zeit fest. Bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit fließen Ladungen über einen dünnen Feuchtigkeitsfilm an der Oberfläche langsam ab — der Effekt ist aber gering und entzieht der Ladung keine Energie, sondern leitet sie nur ab.

Worin unterscheiden sich Ladung und Spannung grundsätzlich?

a) Beide Größen sind identisch und werden in Coulomb gemessen.
b) Spannung ist die Ursache, Ladung der Effekt.
c) Ladung ist immer positiv, Spannung kann positiv und negativ sein.
d) Ladung ist eine Eigenschaft der Materie, Spannung ist die zur Verschiebung dieser Ladung benötigte Energie pro Ladungseinheit.

Richtig: d)

Ladung wird in Coulomb gemessen, Spannung in Volt — eine Verwechslung ist physikalisch nicht möglich. Ladung kann beide Vorzeichen tragen, Spannung ebenfalls. Spannung ist auch keine „Ursache“ der Ladung, sondern beschreibt einen energetischen Zustand zwischen zwei Punkten, der erst durch eine Ladungstrennung entsteht.

Glossar

Elektrische Ladung: Eigenschaft bestimmter Elementarteilchen, in zwei Vorzeichen (positiv, negativ). SI-Einheit: Coulomb (C).
Elementarladung: Kleinste freie Ladungsmenge, e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C. Trägt jedes Elektron und Proton dem Betrag nach gleich.
Coulomb (C): SI-Einheit der elektrischen Ladung. 1 C entspricht rund 6,242 · 10¹⁸ Elementarladungen.
Ion: Atom, das gegenüber dem neutralen Zustand Elektronen abgegeben (positives Ion, Kation) oder aufgenommen hat (negatives Ion, Anion).
Valenzelektron: Elektron in der äußersten Schale eines Atoms. Bestimmt das chemische Verhalten und ist an elektrischen Vorgängen meist beteiligt.
Coulomb’sches Gesetz: F = k · Q₁ · Q₂ / r². Beschreibt die Kraft zwischen zwei Punktladungen.
Influenz: Verschiebung der Ladungsträger in einem Leiter durch die Annäherung eines geladenen Körpers, ohne direkte Berührung.
ESD (Electrostatic Discharge): Plötzliche elektrische Entladung beim Ausgleich elektrostatisch aufgeladener Körper. Häufige Schadensursache an empfindlicher Elektronik.
EPA (ESD Protected Area): Abgegrenzter Arbeitsbereich, in dem alle relevanten Objekte und Personen auf gleichem Erdpotenzial liegen.
Ladungserhaltung: In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller Ladungen konstant. Ladung kann verschoben, aber nicht erzeugt oder vernichtet werden.

Österreichische Normen

ÖNORM EN 61340-5-1: Schutz elektronischer Bauelemente gegen elektrostatische Phänomene — allgemeine Anforderungen an EPAs (ESD Protected Areas).