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Einheit
Coulomb (C)
Einfach erklärt
Die Elektrische Ladung (Q) ist die grundlegende Größe, die beschreibt, wie viel Elementarladung durch einen Leiter geflossen oder auf einem Bauteil gespeichert ist: Q=I·t bei konstantem Strom. Die Wasseranalogie hilft: Strom I ist die Durchflussmenge pro Zeit, Ladung Q ist die insgesamt geflossene Wassermenge. Die Einheit ist Coulomb (C), wobei 1 C der Ladung von etwa 6,24·10¹⁸ Elektronen entspricht – ein einzelnes Elektron trägt nur e=1,602·10⁻¹⁹ C. Im Alltag begegnet Ladung meist indirekt über die Amperestunde (Ah) bei Batterien: 1 Ah=3600 C. Eng verwandt sind die Stromstärke (I), die die Flussrate der Ladung angibt, und die Kapazität (C), über die ein Kondensator Ladung bei einer bestimmten Spannung speichert (Q=C·U).
Merksatz: Ladung ist eine Erhaltungsgröße – sie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern fließt nur von einem Ort zum anderen (Grundlage der Kirchhoffschen Knotenregel).
Fortgeschrittene Erklärung
Bei zeitlich veränderlichem Strom ist Ladung als Integral definiert: Q=∫i(t)dt. Nur bei konstantem Gleichstrom vereinfacht sich dies zu Q=I·t. Ein Multimeter misst direkt nur den Strom i(t); die geflossene Ladung muss rechnerisch oder mit einem Integrator bestimmt werden.
In Kondensatoren ist die gespeicherte Ladung proportional zur anliegenden Spannung: Q=C·U. Beim Auf- oder Entladen über einen Widerstand R folgt der Ladestrom einer e-Funktion mit der Zeitkonstante τ=R·C, wodurch auch die zeitliche Ladungsänderung nicht linear verläuft.
Auf atomarer Ebene ist Ladung quantisiert: Jede beobachtbare Ladungsmenge ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e=1,602176634·10⁻¹⁹ C (seit 2019 exakt definierter SI-Wert, auf dem die Ampere-Definition beruht). Wegen der enormen Elektronenzahl (1 C ≈ 6,24 Trillionen Elektronen) ist diese Quantelung in der Elektrotechnik praktisch nicht spürbar.
Bei Batterien wird die umgesetzte Ladung praktisch fast immer in Amperestunden (Ah) statt Coulomb angegeben, da die Zahlenwerte handlicher sind (1 Ah=3600 C) – für Energieberechnungen ist zusätzlich die Nennspannung nötig: E=Q·U.
Fachlicher Hinweis: Die Kirchhoffsche Knotenregel (Summe der zufließenden Ströme = Summe der abfließenden Ströme) ist eine direkte Folge der Ladungserhaltung – Ladung kann sich an einem Knotenpunkt nicht anstauen.
Wichtige Formeln und Zusammenhänge
Q Ladung in Coulomb (C), I Stromstärke in Ampere (A), t Zeit in Sekunden (s), i(t) zeitlich veränderlicher Momentanstrom, C Kapazität in Farad (F), U Spannung in Volt (V). Es gilt 1 Ah=3600 C.
Beispiel und Vorgehensweise
Ein Verbraucher zieht einen konstanten Strom von I=2A über eine Dauer von t=3 Stunden. Gesucht ist die geflossene Ladung.
- Werte notieren und in SI-Einheiten umrechnen: I=2A, t=3h=10.800s.
- Formel wählen: Q=I·t.
- Einsetzen: Q=2A·10.800s=21.600C.
- In Amperestunden: Q=21.600C/3600=6Ah.
Ein Kondensator mit C=1000 µF wird auf U=9V aufgeladen. Die gespeicherte Ladung beträgt Q=C·U=10⁻³F·9V=9·10⁻³C=9mC – deutlich weniger als die 21.600C aus dem Beispiel oben, was den großen Größenunterschied zwischen batterie- und kondensatorbasierter Ladungsspeicherung verdeutlicht: Kondensatoren speichern typischerweise um Größenordnungen weniger Ladung, dafür aber nahezu verlustfrei und extrem schnell abrufbar.
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Weiterführend
Passende Berechnungen findest du im Rechnerbereich. Eigene Tabellen und Übersichten gibt es im Tabellenbuch.