Coulombsches Gesetz, Potential und Spannung als Potentialdifferenz
In der letzten Lektion hast du das elektrische Feld beschrieben und die Feldstärke aus einer gemessenen Kraft bestimmt. Jetzt willst du sie berechnen. Wie groß ist die Kraft zwischen zwei Ladungen, und wie ändert sie sich mit dem Abstand? Wie überlagern sich die Felder mehrerer Ladungen, wenn du Beträge und Richtungen genau haben willst?
Und was steckt hinter der Spannung einer Batterie? Aus der Mittelstufe weißt du: Spannung ist Energie je Ladung. Hier wird daraus eine Differenz zweier Größen, die jedem Ort im Feld zugeordnet sind. Damit kannst du die Arbeit im Feld berechnen und Linien gleicher Spannung zeichnen.
Coulombsches Gesetz
Zwei punktförmige Ladungen und im Abstand üben aufeinander eine Kraft entlang ihrer Verbindungslinie aus. Der Betrag ist proportional zu beiden Ladungen und zu . Die Kraft ist abstoßend bei gleichnamigen, anziehend bei ungleichnamigen Ladungen. Dabei ist die elektrische Feldkonstante. Der Faktor wird auch genannt.
Coulomb fand das Gesetz mit einer Drehwaage: Verdoppelst du eine Ladung, verdoppelt sich die Kraft. Verdoppelst du den Abstand, sinkt sie auf ein Viertel. Plausibel ist das so: Die Feldlinien einer Punktladung verteilen sich auf Kugelflächen der Größe . Die Liniendichte, also die Feldstärke, sinkt daher mit . Mit folgt für das Feld einer Punktladung .
Kraft zwischen zwei Punktladungen
Kraft zwischen zwei Punktladungen
Zwei Punktladungen und haben den Abstand . Welche Kraft wirkt zwischen ihnen?
Zähler: . Nenner: . Mit ist . Die Ladungen haben verschiedene Vorzeichen, die Kraft ist anziehend.
Quantitative Superposition am Dipol
Quantitative Superposition am Dipol
Die Ladung liegt im Punkt , die Ladung im Punkt . Wie groß ist die Feldstärke im Punkt ?
Der Abstand von jeder Ladung zu P ist . Jede Ladung erzeugt dort den Betrag .
zeigt von weg, auf zu. Beide haben die Komponente in -Richtung, die -Komponenten sind entgegengesetzt gleich und heben sich auf. Also gilt . Das Feld zeigt in -Richtung, von der positiven zur negativen Ladung.
Potential und Spannung als Potentialdifferenz
Das Feld verrichtet an einer Ladung Arbeit, wenn sie sich von A nach B bewegt. Diese Arbeit hängt nur von A und B ab, nicht vom Weg: Sonst ließe sich auf zwei Wegen Energie gewinnen, was der Energieerhaltung widerspricht. Deshalb hat jeder Ort eine potenzielle Energie der Ladung, proportional zu . Das Potential ist die potenzielle Energie je Ladung, , bezogen auf einen Bezugspunkt mit (bei Punktladungen: unendlich weit weg).
Die Spannung zwischen A und B ist die Differenz der Potentiale, . Sie hängt nicht vom Bezugspunkt ab, das Potential schon. Einheit: . Positive Ladungen verlieren beim Weg zu niedrigerem Potential potenzielle Energie, das Feld verrichtet dann positive Arbeit.
Im homogenen Feld ist die Arbeit längs einer Feldlinie über die Strecke gleich . Mit folgt , also . Dort ist die Einheit V/m gleich N/C.
Potential einer Punktladung
Eine Punktladung hat im Abstand (Bezug: ) das Potential unten. Das Potential ist eine Zahl mit Vorzeichen. Bei mehreren Ladungen addierst du die Einzelpotentiale einfach, anders als die Feldstärken, die du als Vektoren addierst.
Äquipotentiallinien
Alle Punkte mit demselben Potential bilden eine Äquipotentialfläche, im Schnitt eine Äquipotentiallinie. Wird eine Ladung längs einer solchen Fläche verschoben, ist und das Feld verrichtet keine Arbeit. Deshalb steht senkrecht auf den Äquipotentialflächen: Eine Komponente längs der Fläche würde Arbeit verrichten.
Bei einer Punktladung sind es konzentrische Kugeln, im homogenen Feld parallele Ebenen. Auch die Oberfläche eines Leiters ist eine Äquipotentialfläche. Wo die Linien für gleiche Potentialstufen dichter liegen, ist das Feld stärker: längs eines Weges .
Arbeit beim Annähern
Arbeit beim Annähern
Eine Punktladung ruht. Eine Probeladung wird von auf herangeführt. Welche Arbeit verrichtet das Feld, welche musst du aufbringen?
Potentiale: und . Die Spannung ist .
Das Feld verrichtet , also negative Arbeit: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Du musst aufbringen, sie steckt danach als potenzielle Energie im System.
Polarisation
Ein Isolator hat keine frei beweglichen Ladungsträger. Im Feld verschiebt sich aber in jedem Atom die Elektronenhülle ein wenig gegen den Kern, und Moleküle, die von sich aus ein positives und ein negatives Ende haben (etwa Wasser), richten sich aus. Dieses Entstehen und Ausrichten solcher Dipole heißt Polarisation. An den Oberflächen erscheinen gebundene Ladungen. Ihr Feld schwächt das äußere im Isolator, hebt es aber nicht auf wie beim Leiter. So zieht ein geriebener Stab Papierschnipsel an: Die dem Stab nähere Seite trägt entgegengesetzte Ladung und erfährt im inhomogenen Feld die stärkere Kraft.
Kraft und Potential nehmen mit gleicher Potenz ab
Kraft und Potential nehmen mit gleicher Potenz ab
„Verdoppelt man den Abstand zu einer Punktladung, ist auch die Kraft halb so groß wie vorher.“
Die Kraft und die Feldstärke fallen mit ab: Beim doppelten Abstand ist nur noch ein Viertel übrig. Nur das Potential fällt mit und halbiert sich.
Feldstärke null heißt Potential null
Feldstärke null heißt Potential null
„Wo die Feldstärke null ist, ist auch das Potential null, und umgekehrt.“
Die Feldstärke ist das Gefälle des Potentials, nicht das Potential selbst. In der Mitte zwischen zwei gleichen positiven Ladungen ist , das Potential aber positiv. Auf der Mittelsenkrechten eines Dipols ist , die Feldstärke aber nicht, wie das Beispiel mit zeigt.
Zusammenfassung
Coulombsches Gesetz: . Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Das Feld einer Punktladung ist .
Quantitative Superposition: Feldstärken addierst du als Vektoren, Potentiale als Zahlen mit Vorzeichen.
Das Potential ist potenzielle Energie je Ladung, für eine Punktladung .
Spannung ist Potentialdifferenz, . Das Feld verrichtet , unabhängig vom Weg. Im homogenen Feld gilt .
Äquipotentialflächen stehen senkrecht auf den Feldlinien. Entlang ihnen wird keine Arbeit verrichtet.
Polarisation verformt oder richtet die Teilchen eines Isolators aus und schwächt das Feld im Isolator.
Übungen
Zwei Punktladungen von je 4,0 nC haben den Abstand 2,0 cm. Wie groß ist die Kraft zwischen ihnen in Millinewton? Rechne mit k = 8,99·10^9 V·m/(A·s).
Der Abstand zwischen zwei Punktladungen wird verdreifacht. Wie ändert sich der Betrag der Kraft?
Eine Ladung q = −2,0 µC wird von A (Potential 150 V) nach B (Potential 40 V) gebracht. Welche Arbeit verrichtet das Feld, in Mikrojoule? Achte auf das Vorzeichen.
Zwei Punktladungen von je +6,0 nC haben den Abstand 6,0 cm. Wie groß ist das Potential (Bezug unendlich) in der Mitte zwischen ihnen, in Volt? Rechne mit k = 8,99·10^9 V·m/(A·s) und schreibe die Zahl ohne Punkt.
Begründe, warum die Arbeit des Feldes beim Verschieben einer Ladung von A nach B nicht vom Weg abhängt.