Ein Plastikkamm, den man durch trockenes Haar zieht, kann winzige Papierschnipsel anziehen. Ein Luftballon, den man an einem Pullover reibt, kann an einer Wand haften bleiben. Zwei Streifen Klebeband, die man voneinander abzieht, können sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Es handelt sich hierbei nicht um besondere Materialien, die spezielle Kunststücke vollführen. Vielmehr sind es gewöhnliche Gegenstände, deren elektrischer Zustand sich verändert hat – und diese Veränderung äußert sich als eine Kraft, die ohne direkten Kontakt wirkt.
Die Bezeichnung für diesen elektrischen Zustand lautet elektrische Ladung. Ladung ist weder eine Farbe noch eine Oberflächenbeschaffenheit. Sie ist eine Eigenschaft der Materie, die bestimmt, wie diese an elektrischen Wechselwirkungen teilnimmt. Noch vor jeglichen mathematischen Gleichungen stehen zwei grundlegende Beobachtungen: Gegenstände können sich anziehen oder abstoßen, auch ohne sich zu berühren, und es gibt zwei Arten von Ladung, die üblicherweise als positiv und negativ bezeichnet werden. Gleiche Ladungsarten stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.
Ein häufiger Vorgang in der Elektrostatik des Alltags ist die Polarisation. Auch ein elektrisch neutraler Gegenstand kann angezogen werden, da sich die Ladungen in seinem Inneren leicht verschieben können. Eine Seite wird stärker negativ, die andere stärker positiv geladen; dabei kann die Anziehungskraft auf die nähere Seite stärker wirken als die Abstoßungskraft auf die weiter entfernte Seite. Insgesamt bleibt der Gegenstand zwar neutral, kann aber dennoch angezogen werden.
Nutzen Sie die folgende Abbildung, um die jeweiligen Alltagssituationen mit den Konzepten der positiven und negativen Ladung sowie der Polarisation eines benachbarten neutralen Gegenstands zu verknüpfen.
Abstoßung ist wichtig, weil sie eine einfache Erklärung durch bloßes „Aneinanderhaften“ ausschließt. Wenn sich zwei Objekte voneinander wegdrücken können, liegt ein gerichteter Vorgang vor. Die Kraft kann – abhängig von den beteiligten Ladungsarten – in die eine oder die entgegengesetzte Richtung wirken.
Die elektrische Ladung gibt an, wie stark ein Objekt an elektrischer Anziehung und Abstoßung beteiligt ist. Das Symbol für Ladung ist . Ladung kann positiv oder negativ sein. Das Vorzeichen steht nicht für „gut“ oder „schlecht“, sondern kennzeichnet zwei komplementäre Arten, die auf entgegengesetzte Weise interagieren.
Die SI-Einheit der Ladung ist das Coulomb (Symbol ). Bei sonst gleichen Bedingungen erzeugt ein größerer Ladungsbetrag – also ein größerer Wert von – stärkere elektrische Wirkungen. Ein neutrales Objekt hat die Gesamtladung , da sich seine positiven und negativen Ladungen gegenseitig ausgleichen.
Ladung bleibt zudem erhalten. Ladungserhaltung bedeutet, dass sich die Gesamtladung eines abgeschlossenen Systems nicht ändert. Ladung kann von einem Objekt auf ein anderes übergehen, aber unter gewöhnlichen elektrostatischen Bedingungen entsteht sie nicht aus dem Nichts und verschwindet auch nicht spurlos. Wenn man einen Luftballon an den Haaren reibt, erzeugt der Ballon keine Ladung. Es findet eine Ladungsübertragung statt. Ein Objekt nimmt negative Ladung auf, während beim anderen eine gleich große positive Ladung zurückbleibt; die Gesamtsumme bleibt also unverändert.
Anschaulich lässt sich das ohne Mathematik so ausdrücken: Die „Ladungsbilanz“ geht immer auf. Addiert man die Ladungen aller beteiligten Objekte vor und nach einer Wechselwirkung, so bleibt die Summe gleich – vorausgesetzt, es gelangt keine geladene Materie in das System hinein oder aus ihm heraus.
Eine Kraft ist eine Wechselwirkung, die den Bewegungszustand eines Objekts verändern kann; sie kann das Objekt also beschleunigen, abbremsen oder seine Richtung ändern. Das Symbol für Kraft ist . Die SI-Einheit ist das Newton (Symbol ). Man kann Kräfte als Drücken oder Ziehen wahrnehmen, doch in der Physik besitzt eine Kraft stets sowohl eine Stärke als auch eine Richtung.
In der Elektrostatik kann die Kraft zwischen geladenen Objekten anziehend oder abstoßend wirken. Das bedeutet, dass die Richtung selbst auf einer geraden Linie eine Rolle spielt. Man wählt eine Linie und legt darauf eine positive Richtung fest. Eine Kraft, die in diese gewählte Richtung weist, ist positiv; eine Kraft, die in die Gegenrichtung weist, ist negativ. Das Vorzeichen gibt nicht an, ob die Kraft schwächer oder stärker ist. Es kodiert die Richtung in Bezug auf die gewählte Orientierung.
Die folgende interaktive Anwendung ermöglicht es Ihnen, den Umgang mit der gerichteten Natur von Kräften zu üben, indem eine einfache Vorzeichenkonvention auf einer Linie verwendet wird.