Farbladung

Unter Ladung versteht man in der Physik die Eigenschaft eines Objektes, mit einem Feld wechselzuwirken (mit Ausnahme des Gravitationsfeldes, bei dem die Masse die Funktion der Ladung übernimmt). Für verschiedene Felder gibt es verschiedene, voneinander unabhängige Ladungen. Zum Beispiel tragen Elektronen eine elektrische Ladung, aber keine Farbladung, Gluonen tragen eine Farbladung, aber keine elektrische Ladung, und Quarks tragen sowohl eine elektrische, als auch eine Farbladung.

Die Ladung bestimmt sowohl, welches Feld in welcher Stärke vom Teilchen erzeugt wird, als auch, wie das Teilchen vom Feld beeinflusst wird.

In der modernen Physik ist die Ladung die nach dem Noether-Theorem zur Eichsymmetrie der zugehörigen Feldtheorie (Eichtheorie) gehörige Erhaltungsgröße. Die Ladung eines Objekts ist jeweils ein lorentzinvarianter Skalar, das heißt er wird durch eine einzige Zahl gegeben, die in allen Bezugssystemen denselben Wert hat.

Die Ladungen der Elementarteilchen sind stets ganzzahlige Vielfache einer bestimmten Ladung, wobei für jedes Elementarteilchen jede Ladung einen genau festgelegten, nicht veränderbaren Wert hat. So hat beispielsweise jedes Elektron dieselbe elektrische Ladung von $-e\approx -1{,}6\times 10^{-19}\ \mathrm {C}$. Das zu einem Teilchen gehörige Antiteilchen hat genau die entgegengesetzen Ladungen.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist ein Phänomen, das sich unserer direkten sinnlichen Wahrnehmung entzieht. Sie lässt sich lediglich indirekt nachweisen, beispielsweise über die Kräfte, die zwischen Ladungen wirken. Die elektrische Ladung ist Quelle des elektrischen Feldes. Ihre Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld wird über die Maxwell'schen Gleichungen und über die Coulomb- und Lorentzkraft beschrieben.

Vermutlich wurden schon im antiken Griechenland Experimente durchgeführt, bei denen die von elektrischer Ladung ausgehenden Kräfte beobachtet werden konnten. Beispielsweise wurde eine anziehende Kraft von einem Stück Bernstein auf ein paar leichte Vogelfedern festgestellt, nachdem der Bernstein an einem trockenen Fell gerieben wurde. Deswegen hat man sich entschlossen derartige Phänomene nach dem griechischen Wort ελεκτρον (=Bernstein) „elektrisch“ zu nennen.

Es gibt genau zwei einander entgegengesetzte elektrische Ladungen, die man durch ein unterschiedliches Vorzeichen kennzeichnet und dementsprechend als positive oder negative Ladungen bezeichnet. Die Wahl des Vorzeichen erfolgte völlig willkürlich. Festgelegt wurde, dass Protonen eine positive und Elektronen eine negative Ladung zugeordnet werden muss. Zwei gleich große, entgegengesetzte Ladungen (z. B. von Elektron und Proton) heben sich gerade auf. Als elektrisch neutral bezeichnet man daher Objekte oder Teilchen, die keine elektrische Ladung tragen, beziehungsweise deren Ladungen sich gegenseitig aufheben. Übertragen auf einen Körper bezeichnet eine positive Ladung den Überschuß an positiven Ladungsträgern und dementsprechend eine negative Ladung den Überschuß an negativen Ladungsträgern. Die elektrostatische Kraft (Coulombkraft) die im elektrischen Feld zwischen zwei Punktladungen auf die Ladungsträger wirkt, wird durch das Coulombsches Gesetz beschrieben.

Das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist Q oder q, sollte deshalb jedoch nicht mit der Wärme verwechselt werden, deren Formelzeichen ebenfalls Q ist. Die Ladung wird im SI-Einheitensystem in der Einheit Coulomb gemessen, die von den Grundeinheiten Ampere und Sekunde abgeleitet wird. Die Ladung freier Objekte ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung und die Ladung der Quarks stets ein ganzzahliges Vielfaches eines Drittels der Elementarladung.

Die Gesamtladung eines Raumgebietes (wahre Ladung) kann durch folgende Beziehung beschrieben werden:

$Q=Q_{+}+Q_{-}=\int _{\mathrm {Volumen} }\;\mathrm {d} Q$

Folgende Spezielfälle der Ladungsverteilung können auftreten:

• Linienladungsdichte $\lambda ={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} l}}$

• Flächenladungsdichte $\sigma ={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} A}}$

• Raumladungsdichte $\rho ={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} V}}$

Die allgemeine Formel für den Zusammenhang zwischen Ladung und Strom:

$Q=I\cdot t$

Q: elektrische Ladung
I: elektrischer Strom
t: Zeit

Im Falle veränderlicher Ströme gilt genauer :

$\mathrm {d} Q=I(t)\cdot \mathrm {d} t$

dQ: Infinitesimale Veränderung der Ladung
dt: Infinitesimale Veränderung der Zeit
I(t) : Stromstärke zum Zeitpunkt t

Farbladung

Die Farbladung ist die zur starken Kraft (Farbkraft) gehörige Ladung. Es gibt drei verschiedene Ladungen, die sich zusammen zur Ladung Null addieren. In Analogie zur additiven Farbmischung nennt man diese drei Ladungen „rot“, „grün“ und „blau“, und Teilchen ohne Farbladung nennt man „weiß“. Die Farben der zugehörigen Antiteilchen nennt man „antirot“, „antigrün“ und „antiblau“. Ein weißes Teilchen kann sowohl durch die Kombination einer Farbe mit ihrer Antifarbe, als auch durch die Kombination der drei Farben oder der drei Antifarben gebildet werden. Alle diese Möglichkeiten kommen in der Natur vor.

Teilchen mit Farbladung können nie einzeln auftreten, sondern sind stets in insgesamt weißen (farbneutralen) Teilchen gebunden. Dieses so genannte Confinement liegt daran, dass - anders als beim elektromagnetischen Feld - die Feldquanten (Gluonen) ihrerseits eine Farbladung tragen und sich gegenseitig anziehen. Dadurch wird die Energie, die man bräuchte, um Teilchen mit Farbladung voneinander zu trennen, so groß, dass sie zur Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren ausreicht, die insgesamt die Einzelteile wieder zu farbneutralen Objekten ergänzen. Dies ist auch der Grund, warum die starke Kernkraft so kurzreichweitig ist, obwohl die Gluonen, wie die Photonen, masselos sind.

Zu beachten ist, dass die Farben der Farbladung nichts mit der Farbe von Objekten zu tun hat. Diese ist eine Eigenschaft, die unser Sehsystem aus dem elektromagnetischen Spektrum der Objekte ableitet. Die Bezeichnungen „Farbe“ sowie die Verwendung der Farbnamen für die Ladung sind nur als reine Analogie zu verstehen.

Schwache Ladung

Auch zur schwachen Wechselwirkung gehört eine Ladung, die schwache Ladung. Wie die elektrische Ladung, kommt auch die schwache Ladung nur in ganzzahligen Vielfachen einer „schwachen Elementarladung“ g vor. In der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung hängen elektrische und schwache Ladung miteinander über den Weinbergwinkel zusammen:

$e=g\cdot \sin \theta _{W}$

Nur die linkshändigen elementaren Fermionen (Quarks und Leptonen) tragen eine schwache Ladung (Paritätsverletzung), und zwar jeweils vom Betrag g.