Ladungsverteilung auf der Oberfläche eines Leiters

Was haben Sitzen im Auto während eines Blitzeinschlags und ein Haufen Babys in schmutzigen Windeln gemein? Nun, beide helfen bei der Erklärung, wo elektrische Ladungen hingehen – wenn sie wählen können. Elektrische Ladungen kommen, wie du sicherlich weißt, in zwei Varianten: positiv und negativ Ein Elektron ist ein Teilchen mit negativer Ladung, und ein Proton ist ein Teilchen mit positiver Ladung. Jedes "Ding", jedes Objekt, das elektrisch geladen ist, erzeugt ein elektrisches Feld, das es umgibt. Ein elektrisches Feld ist ein bisschen wie ein Magnetfeld.

Die beiden Feldarten sind miteinander verwandt, aber nicht dasselbe. Das elektrische Feld, das durch das geladene Objekt erzeugt wird, breitet sich nach außen in alle Richtungen aus. Am stärksten ist es nahe dem geladenen Objekt. Weiter weg davon wird es indes zunehmend schwächer. In der Zeichnung eines elektrischen Feldes, welches ein positiv geladenes Objekt umgibt, weist das Feld von der geladenen Materie weg.

Ein elektrisches Feld, das hingegen ein negativ geladenes Objekt umgibt, weist zu der geladenen Materie hin. Tritt ein geladenes Objekt in das elektrische Feld eines anderen Objekts, wirkt auf beide Teilchen eine Kraft ein. Ist ein Teilchen positiv und eines negativ, erfahren die Objekte eine Kraft, die zueinander bringt. Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an. Sind jedoch beide Teilchen negativ geladen oder beide positiv geladen, erfahren die Objekte eine Kraft, die sie voneinander fernhält.

Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Lasst uns nun eine Menge negativ geladener Teilchen – also Elektronen – sammeln. Wir lassen ihnen in dieser Stahlkugel freien Lauf. Da Stahl ein Leiter ist, können die überschüssigen Elektronen, mit denen wir die Kugel aufladen, sich frei bewegen und positionieren. Jedes Elektron will von den anderen überschüssigen Elektronen so weit weg wie möglich sein.

Die Frage ist nun: Wo werden sie hingehen? Bevor wir diese Frage beantworten, lasst uns die Elektronen mit kleinen Babys ersetzen, in einem runden Laufgitter. Jedes Baby trägt eine Windel, die dringend gewechselt werden muss. Je weiter weg du dich von einer Windel befindest, desto weniger nimmst du den Geruch wahr. Jedes Baby will von den anderen Babys also so weit weg wie möglich sein.

Wohin gehen sie? Wenn es zwei Babys sind... krabbeln sie auf die gegenüberliegenden Seiten des Laufgitters. Und drei Babys? Vier...

fünf... sechs Babys? Um zu den anderen Babys so viel Abstand wie möglich zu halten, krabbeln sie am Rande des Gitters entlang. Das gilt auch für Elektronen. Eine Menge überschüssiger Elektronen in einem Leiter verteilen sich gleichmäßig auf der Leiteroberfläche.

Kein einziges von ihnen befindet sich innerhalb des Leiters. Wie kommt's? Ganz einfach: Würde ein Elektron versuchen, sich nach innen zu bewegen, in Richtung Kugelmitte, würde es einen stärkeren Schub erfahren – eine erhöhte Abstoßungskraft – von allen Elektronen auf der anderen Seite der Kugel. Die Elektronen stoßen sich gegenseitig ab, bis sie so weit wie möglich voneinander entfernt sind. In dieser Phase neutralisieren sich die elektrischen Felder aller geladenen Teilchen.

Die Elektronen sind nun in einem Gleichgewichtszustand. Wärst du in der Stahlkugel, würdest du überhaupt kein elektrisches Feld erleben. Was? Im Innern eines geladenen Leiters... Wozu soll das gut sein?, höre ich dich fragen.

Nun ja: Was wird wohl geschehen, wenn du in einer Metallkiste sitzt und ein Blitz einschlägt? Du weißt es bereits: In einem Leiter finden sich alle überschüssigen Elektronen ausschließlich auf der Oberfläche des Leiters. Die elektrischen Ladungen bewegen sich also entlang der äußeren Oberfläche eines Autos und springen dann zum Boden. Es klingt seltsam, ist aber wahr: Sicher bist du vor großen elektrischen Ladungen nur inmitten von ihnen. Ein faradayscher Käfig – so nach dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday benannt.

Man sagt, dass er restlos erklären konnte, wo die elektrischen Ladungen am Ende landen... und schmutzige Windeln spielten dabei keine Rolle...