Electric Charge

00:01 Wir haben nun sowohl Gase als auch Flüssigkeiten besprochen, wir sind bereit, uns mit dem elektrischen Phänomen zu befassen und dazu gehören sowohl Elektrizität als auch Magnetismus und wie man Strom anwendet, wenn er durch Schaltkreise fließt.

00:13 Nochmals als Überblick, nachdem wir Flüssigkeiten und Gase behandelt haben und wir die ganze Mechanik davor noch einmal gemacht haben, auf die wir uns im weiteren Verlauf immer wieder berufen werden.

00:22 Wir werden uns mit Elektrizität, Stromkreisen und Magnetismus beschäftigen, bevor wir zu einem anderen Phänomen übergehen, einschließlich Wellen und Schall sowie einige mikroskopische Strukturen und deren Atome sowie die Thermodynamik der kleinen Welt.

00:38 Wir beginnen mit der Elektrizität in Stromkreisen und Magnetismus.

00:40 Als Erstes werden wir uns mit einigen theoretischen Grundlagen befassen, wie wir Elektrizität beschreiben, wie die Kräfte zwischen verschiedenen elektrischen Objekten und dann ein paar kompliziertere Fälle einschließlich der Felder und der elektrischen Energie, aber zunächst die grundlegende Theorie.

00:55 Zunächst müssen wir die elektrische Ladung beschreiben, was elektrische Ladung ist und wie sich diese gegenseitig anziehen und welche Kräfte in diesen Situationen auftreten, welches das Coulombsche Gesetz besagt.

01:07 Schließlich werden wir kurz über den Unterschied zwischen einen Leiter und einen Isolator sprechen, aber zunächst beginnen wir mit der elektrischen Ladung.

01:14 Wenn wir uns umsehen, scheint es, als würden riesige Mengen an Energie bewegt werden, welches wir in einem Gewitter sehen können, die alle von irgendetwas kommen, aber auch diese Energie ist sehr, sehr mächtig und veranlasste viele Menschen vor sehr langer Zeit zu der Frage: Was ist das? Was ist die Ursache dafür, dass nicht nur die Objekte dies tun, aber warum bewegen sie sich und warum ist es so stark? Woher kommt all diese Energie, die Wärme, das Licht und der Schall? Es stellt sich heraus, dass es von der Materie kommt, wenn wir genau hinschauen, sehen wir hier ein Schema eines Atoms.

01:46 In einem Atom haben wir einen Kern, der der zentrale Teil des Atoms ist, auf die wir später noch genauer eingehen werden, aber dieser Kern hat sowohl Protonen als auch Neutronen.

01:56 Um diesen Kern kreisen so genannte Elektronen, die winzige, winzige Materieteilchen sind, die im Gegensatz zu den Protonen im Zentrum des Atoms negativ geladen sind im Atomkern, welche eine positive Ladung haben.

02:11 Wir beschreiben diese Ladung auf ganz ähnliche Weise wie die Masse.

02:16 Im weiteren Verlauf werden wir einige Parallelen zwischen diesen beiden Themen sehen.

02:20 Wir beschreiben die Ladung mit dem Symbol q anstelle von m für Masse.

02:24 Wir messen in der Einheit Coulombs und verwenden den Buchstaben C, ein großes C, als Abkürzung für die Einheit der Coulomb.

02:32 Mit dieser elektrischen Ladung wird im Grunde genommen versucht, zu messen wie stark ein Objekt eine elektrische Kraft erfährt, wenn es sich in Gegenwart anderer geladener Objekte befindet.

02:43 Für das Elektron haben wir q, die Ladung des Elektrons, mit einem kleinen Buchstaben e unter dem q, um anzuzeigen, dass es sich um ein Elektron handelt.

02:54 Die Ladung des Elektrons ist minus, es ist eine negative Ladung, und das ist nur eine Konvention.

03:00 In der Physik der Natur gibt es nichts, was uns zwingt, eine positive oder negative Ladung so zu bezeichnen.

03:05 Es hätte auch andersherum sein können, aber aus historischen Gründen wird das Elektron als negative Ladung bezeichnet und der Wert dieser negativen Ladung wird mit einem Buchstaben e dargestellt und die Größe dieses Buchstabens e ist für ein Elektron sehr klein und ist 1,6 mal 10 hoch minus 19 Coulombs.

03:24 Protonen haben eine positive Ladung, aber es stellt sich heraus, dass die Größe dieser Zahl genau die gleiche ist.

03:30 Es ist auch 1,6 mal 10 zu minus 19.

03:33 Elektronen und Protonen haben also die gleiche Ladung, obwohl sie sehr unterschiedlich groß sind und daher auch sehr unterschiedliche Massen haben.

03:40 Behalten Sie also im Hinterkopf, dass diese Ladungen die gleichen sind, die gleiche Größe haben, aber eine ist negativ und die andere ist positiv.

03:47 Das letzte Nukleon, das letzte Objekt im Atomkern, ist das Neutron, hat überhaupt keine Ladung, weshalb wir es auch Neutron nennen.

03:55 Es ist ein neutrales Objekt und erfährt keine dieser elektrischen Kräfte.

03:59 Mit diesen Elektronen, Protonen und Neutronen, die wir gerade beschrieben haben, kann man von der Gesamtladung eines Atoms sprechen, das aus mehr als einem dieser Elemente besteht.

04:11 Nehmen wir also an, wir haben ein einzelnes Proton in der Mitte, das von einem Elektron umkreist wird, dies wäre ein Wasserstoffatom, da es ein Proton im Zentrum hat und von einem Elektron umkreist wird, und weil wir gesagt haben, dass das Elektron und das Proton gleich große Ladungen sind, eine jedoch positiv und die andere negativ ist, sagen wir, dass die Ladung dieses Wasserstoffatoms gleich Null ist.

04:34 Es ist wieder ein neutrales Wasserstoffatom, weil die Ladungen entgegengesetzt sind.

04:38 Wenn wir aus irgendeinem Grund ein Elektron hinzufügen, wenn es aufgrund seiner Umgebung ein Elektron angenommen hat, würde man sagen, dass sie jetzt negativ geladen ist, weil es zwei negative Ladungen hat, während es nur die eine positive Ladung des Protons hat.

04:53 Wir haben einen Namen für solche Ladungen: Anionen.

04:56 Wir sagen, dass ein negativ geladenes Ion ein Anion ist.

04:59 Eine einfache Möglichkeit, sich dies zu merken, ist, es sich als "negatives Ion" vorzustellen.

05:03 Es ist ein Anion. Auf der anderen Seite könnte auch das Gegenteil passieren, nämlich ihr Atom, dieses Wasserstoffatom, ein Elektron verliert.

05:12 In diesem Fall hat es keine Elektronen mehr, während es immer noch diese positive Protonenladung hat.

05:17 Wenn das der Fall ist, dann ist die Nettoladung des Atoms als Ganzes nun positiv und wir geben diesem einen anderen Namen, nämlich Kation statt Anion.

05:27 Wir haben nur die Eselsbrücke für ein Anion, damit man sich diese leichter merken kann und denken Sie immer daran, dass das Kation das Gegenteil ist. Es ist positiv geladen.

05:35 Es gibt ein paar sehr wichtige Dinge, die man über Ladung wissen sollte.

05:38 Eine davon ist, dass die Ladung gequantelt ist.

05:41 Was wir damit meinen, ist, dass man nicht die Hälfte einer elektrischen Ladung oder 1,5 elektrische Ladungen haben kann.

05:47 Sie müssen in diskreten, quantisierten Ladungseinheiten kommen.

05:50 Außerdem muss die Ladung eine ganze Zahl dieses Grundwertes sein, den wir gesehen haben, nämlich e, die sehr kleine Zahl der Ladung des Elektrons und der Ladung des Protons.

06:01 Schließlich bleibt die Gesamtladung erhalten.

06:05 Diese Ladung kann nicht einfach verschwinden und die Ladung kann auch nicht einfach von irgendwoher in einem bestimmten geschlossenen System kommen.