Lektion 3.2

Coulombsches Gesetz, Potential und Spannung als Potentialdifferenz

20 min Lesezeit

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.

Definition

Coulombsches Gesetz

Zwei punktförmige Ladungen Q1Q_1 und Q2Q_2 im Abstand rr üben aufeinander eine Kraft entlang ihrer Verbindungslinie aus. Der Betrag ist proportional zu beiden Ladungen und zu 1/r21/r^2. Die Kraft ist abstoßend bei gleichnamigen, anziehend bei ungleichnamigen Ladungen. Dabei ist ε0=8,854⋅10−12 A s/(V m)\varepsilon_0 = 8{,}854\cdot10^{-12}\,\text{A s/(V m)} die elektrische Feldkonstante. Der Faktor 14πε0≈8,99⋅109 V m/(A s)\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \approx 8{,}99\cdot10^{9}\,\text{V m/(A s)} wird auch kk 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 1/r21/r^2 so: Die Feldlinien einer Punktladung verteilen sich auf Kugelflächen der Größe 4πr24\pi r^2. Die Liniendichte, also die Feldstärke, sinkt daher mit 1/r21/r^2. Mit F⃗=qE⃗\vec F = q\vec E folgt für das Feld einer Punktladung E=14πε0Qr2E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{r^2}.

F=14πε0⋅Q1 Q2r2F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{Q_1\,Q_2}{r^2}
Beispiel

Kraft zwischen zwei Punktladungen

Zwei Punktladungen Q1=+3,0 nCQ_1 = +3{,}0\,\text{nC} und Q2=−5,0 nCQ_2 = -5{,}0\,\text{nC} haben den Abstand r=6,0 cmr = 6{,}0\,\text{cm}. Welche Kraft wirkt zwischen ihnen?

F=8,99⋅109 V mA s⋅3,0⋅10−9 C⋅5,0⋅10−9 C(0,060 m)2=3,7⋅10−5 NF = 8{,}99\cdot10^{9}\,\frac{\text{V m}}{\text{A s}}\cdot\frac{3{,}0\cdot10^{-9}\,\text{C}\cdot5{,}0\cdot10^{-9}\,\text{C}}{(0{,}060\,\text{m})^2} = 3{,}7\cdot10^{-5}\,\text{N}

Zähler: 3,0⋅10−9⋅5,0⋅10−9=1,5⋅10−173{,}0\cdot10^{-9}\cdot5{,}0\cdot10^{-9} = 1{,}5\cdot10^{-17}. Nenner: 0,0602=3,6⋅10−30{,}060^2 = 3{,}6\cdot10^{-3}. Mit k=8,99⋅109k = 8{,}99\cdot10^{9} ist F=8,99⋅109⋅1,5⋅10−17/3,6⋅10−3 N≈3,7⋅10−5 NF = 8{,}99\cdot10^{9}\cdot1{,}5\cdot10^{-17}/3{,}6\cdot10^{-3}\,\text{N} \approx 3{,}7\cdot10^{-5}\,\text{N}. Die Ladungen haben verschiedene Vorzeichen, die Kraft ist anziehend.

Beispiel

Quantitative Superposition am Dipol

Die Ladung Q1=+5,0 nCQ_1 = +5{,}0\,\text{nC} liegt im Punkt (−4,0 cm∣0)(-4{,}0\,\text{cm} \mid 0), die Ladung Q2=−5,0 nCQ_2 = -5{,}0\,\text{nC} im Punkt (+4,0 cm∣0)(+4{,}0\,\text{cm} \mid 0). Wie groß ist die Feldstärke im Punkt P=(0∣3,0 cm)P = (0 \mid 3{,}0\,\text{cm})?

Der Abstand von jeder Ladung zu P ist 4,02+3,02 cm=5,0 cm\sqrt{4{,}0^2 + 3{,}0^2}\,\text{cm} = 5{,}0\,\text{cm}. Jede Ladung erzeugt dort den Betrag E1=E2=8,99⋅109⋅5,0⋅10−9/(0,050)2 N/C=1,80⋅104 N/CE_1 = E_2 = 8{,}99\cdot10^{9}\cdot5{,}0\cdot10^{-9}/(0{,}050)^2\,\text{N/C} = 1{,}80\cdot10^{4}\,\text{N/C}.

E⃗1\vec E_1 zeigt von Q1Q_1 weg, E⃗2\vec E_2 auf Q2Q_2 zu. Beide haben die Komponente E⋅45E\cdot\frac{4}{5} in +x+x-Richtung, die yy-Komponenten sind entgegengesetzt gleich und heben sich auf. Also gilt E=2⋅1,80⋅104 N/C⋅0,80=2,88⋅104 N/CE = 2\cdot1{,}80\cdot10^{4}\,\text{N/C}\cdot0{,}80 = 2{,}88\cdot10^{4}\,\text{N/C}. Das Feld zeigt in +x+x-Richtung, von der positiven zur negativen Ladung.

Definition

Potential und Spannung als Potentialdifferenz

Das Feld verrichtet an einer Ladung qq 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 EpotE_\text{pot} der Ladung, proportional zu qq. Das Potential ist die potenzielle Energie je Ladung, φ=Epot/q\varphi = E_\text{pot}/q, bezogen auf einen Bezugspunkt mit φ=0\varphi = 0 (bei Punktladungen: unendlich weit weg).

Die Spannung zwischen A und B ist die Differenz der Potentiale, UAB=φA−φBU_{AB} = \varphi_A - \varphi_B. Sie hängt nicht vom Bezugspunkt ab, das Potential schon. Einheit: 1 V=1 J/C1\,\text{V} = 1\,\text{J/C}. 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 dd gleich W=qEdW = qEd. Mit W=qUW = qU folgt U=E dU = E\,d, also E=U/dE = U/d. Dort ist die Einheit V/m gleich N/C.

WAB=q (φA−φB)=q UABW_{AB} = q\,(\varphi_A - \varphi_B) = q\,U_{AB}
Satz

Potential einer Punktladung

Eine Punktladung QQ hat im Abstand rr (Bezug: φ(∞)=0\varphi(\infty) = 0) 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.

φ(r)=14πε0⋅Qr\varphi(r) = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{Q}{r}
Definition

Äquipotentiallinien

Alle Punkte mit demselben Potential bilden eine Äquipotentialfläche, im Schnitt eine Äquipotentiallinie. Wird eine Ladung längs einer solchen Fläche verschoben, ist U=0U = 0 und das Feld verrichtet keine Arbeit. Deshalb steht E⃗\vec E 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: E=−dφ/dsE = -\mathrm{d}\varphi/\mathrm{d}s längs eines Weges ss.

Beispiel

Arbeit beim Annähern

Eine Punktladung Q=+5,0 nCQ = +5{,}0\,\text{nC} ruht. Eine Probeladung q=+2,0 nCq = +2{,}0\,\text{nC} wird von rA=4,0 cmr_A = 4{,}0\,\text{cm} auf rB=2,0 cmr_B = 2{,}0\,\text{cm} herangeführt. Welche Arbeit verrichtet das Feld, welche musst du aufbringen?

Potentiale: φA=8,99⋅109⋅5,0⋅10−9/0,040 V≈1,12 kV\varphi_A = 8{,}99\cdot10^{9}\cdot5{,}0\cdot10^{-9}/0{,}040\,\text{V} \approx 1{,}12\,\text{kV} und φB=8,99⋅109⋅5,0⋅10−9/0,020 V≈2,25 kV\varphi_B = 8{,}99\cdot10^{9}\cdot5{,}0\cdot10^{-9}/0{,}020\,\text{V} \approx 2{,}25\,\text{kV}. Die Spannung ist UAB=φA−φB≈−1,12 kVU_{AB} = \varphi_A - \varphi_B \approx -1{,}12\,\text{kV}.

Das Feld verrichtet WAB=qUAB=2,0⋅10−9 C⋅(−1,12⋅103 V)≈−2,25⋅10−6 JW_{AB} = qU_{AB} = 2{,}0\cdot10^{-9}\,\text{C}\cdot(-1{,}12\cdot10^{3}\,\text{V}) \approx -2{,}25\cdot10^{-6}\,\text{J}, also negative Arbeit: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Du musst +2,25⋅10−6 J+2{,}25\cdot10^{-6}\,\text{J} aufbringen, sie steckt danach als potenzielle Energie im System.

Feld, Kraft und Potential von Punktladungen

Ziehe die Probeladung entlang einer Äquipotentiallinie: Das Potential im Ablesesatz bleibt gleich. Ziehe sie quer dazu: Das Potential ändert sich, am stärksten längs der Feldlinien. Tippe eine Ladung an und ändere sie mit dem Regler "Betrag" und der Auswahl "Vorzeichen". Vergleiche, wie sich Feldstärke, Kraft und Potential unterscheiden.

Definition

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.

Häufige Fehler

Kraft und Potential nehmen mit gleicher Potenz ab

„Verdoppelt man den Abstand zu einer Punktladung, ist auch die Kraft halb so groß wie vorher.“

Richtig ist

Die Kraft und die Feldstärke fallen mit 1/r21/r^2 ab: Beim doppelten Abstand ist nur noch ein Viertel übrig. Nur das Potential fällt mit 1/r1/r und halbiert sich.

Häufige Fehler

Feldstärke null heißt Potential null

„Wo die Feldstärke null ist, ist auch das Potential null, und umgekehrt.“

Richtig ist

Die Feldstärke ist das Gefälle des Potentials, nicht das Potential selbst. In der Mitte zwischen zwei gleichen positiven Ladungen ist E⃗=0\vec E = 0, das Potential aber positiv. Auf der Mittelsenkrechten eines Dipols ist φ=0\varphi = 0, die Feldstärke aber nicht, wie das Beispiel mit 2,88⋅104 N/C2{,}88\cdot10^{4}\,\text{N/C} zeigt.

Zusammenfassung

  • Coulombsches Gesetz: F=14πε0Q1Q2r2F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q_1 Q_2}{r^2}. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Das Feld einer Punktladung ist E=14πε0Qr2E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{r^2}.

  • Quantitative Superposition: Feldstärken addierst du als Vektoren, Potentiale als Zahlen mit Vorzeichen.

  • Das Potential ist potenzielle Energie je Ladung, für eine Punktladung φ=14πε0Qr\varphi = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{r}.

  • Spannung ist Potentialdifferenz, UAB=φA−φBU_{AB} = \varphi_A - \varphi_B. Das Feld verrichtet WAB=qUABW_{AB} = qU_{AB}, unabhängig vom Weg. Im homogenen Feld gilt U=EdU = Ed.

  • 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

Aufgabe 1Numerisch

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).

Aufgabe 2Multiple Choice

Der Abstand zwischen zwei Punktladungen wird verdreifacht. Wie ändert sich der Betrag der Kraft?

Aufgabe 3Numerisch

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.

Aufgabe 4Numerisch

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.

Aufgabe 5Freitext

Begründe, warum die Arbeit des Feldes beim Verschieben einer Ladung von A nach B nicht vom Weg abhängt.