Ladung, Coulomb-Gesetz und elektrisches Feld
Reibst du einen Luftballon an deinem Pullover, bleibt er danach an der Wand hängen. Kämme dich mit einem Kunststoffkamm, und er hebt kleine Papierschnipsel auf. Zwischen den Gegenständen wirkt eine Kraft, obwohl sie sich nicht berühren. Schon die Griechen kannten dieses Verhalten bei geriebenem Bernstein (griechisch elektron).
Die Ursache ist die elektrische Ladung, eine Eigenschaft der Materie neben der Masse. Anders als die Masse gibt es sie in zwei Sorten, die wir positiv und negativ nennen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Im Werkzeug Elektrizitätslehre kannst du Ladungen im Raum platzieren und die Kraftwirkung sowie das Feld beobachten.
Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung wird in Coulomb gemessen (). Es gibt zwei Eigenschaften, die alle Experimente bestätigen:
- Quantelung: Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung . Ein Elektron trägt , ein Proton .
- Ladungserhaltung: In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller Ladungen konstant. Beim Reiben werden nur Elektronen von einem Körper auf den anderen verschoben; der eine wird positiv, der andere negativ geladen, die Gesamtladung bleibt null.
Ein einzelnes Coulomb ist riesig, in der Praxis rechnet man mit Mikro- () und Nanocoulomb ().
Coulombsches Gesetz
Zwei punktförmige Ladungen und im Abstand üben aufeinander eine Kraft aus, deren Betrag proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist. Die Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie: abstoßend bei gleichem Vorzeichen, anziehend bei verschiedenem.
Die Konstante folgt aus der elektrischen Feldkonstante . Das Gesetz ist dem Gravitationsgesetz sehr ähnlich, nur gibt es bei der Gravitation keine abstoßende Kraft. Wegen der -Abhängigkeit gilt: Verdoppelst du den Abstand, sinkt die Kraft auf ein Viertel.
Kraft zwischen zwei Mikrocoulomb-Ladungen
Kraft zwischen zwei Mikrocoulomb-Ladungen
Zwei Kugeln tragen je und sind voneinander entfernt:
Das entspricht der Gewichtskraft von etwa . Die Kraft ist hier gut messbar, obwohl die Ladungen sehr klein sind, denn ist riesig. Das erklärt, warum elektrische Kräfte im Atom die Gravitation um viele Größenordnungen übertreffen.
Elektrisches Feld
Das elektrische Feld beschreibt, was eine Ladung im umgebenden Raum bewirkt, auch wenn keine zweite Ladung da ist. Bringt man eine kleine Probeladung an einen Ort, so spürt sie dort eine Kraft . Die elektrische Feldstärke ist die Kraft pro Ladung:
Die Einheit ist , gleichbedeutend . Die Feldstärke ist ein Vektor: Sie zeigt in die Richtung, in die eine positive Probeladung gedrückt würde. Für eine Punktladung gilt im Abstand die Formel unten. Weg von einer positiven Ladung zeigt das Feld nach außen, auf eine negative Ladung zeigt es hin. Zeichnet man Feldlinien, so zeigen sie die Richtung des Feldes, und wo sie dichter liegen, ist das Feld stärker. Feldlinien beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen.
Feldstärke einer Punktladung
Feldstärke einer Punktladung
Eine Punktladung erzeugt im Abstand die Feldstärke:
Bringst du eine Probeladung an diese Stelle, wirkt auf sie die Kraft . Mehrere Ladungen überlagern sich: Die Feldstärken werden als Vektoren addiert (Superpositionsprinzip).
Zusammenfassung
Ladung gibt es in zwei Sorten; sie ist gequantelt () und erhalten.
Coulomb-Gesetz: ; Verdopplung des Abstands viertelt die Kraft.
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Die Feldstärke gibt die Kraft pro Ladung an; für eine Punktladung gilt .
Felder mehrerer Ladungen überlagern sich als Vektoren (Superposition).
Übungen
Zwei Ladungen von je sind voneinander entfernt. Wie groß ist die Kraft in Newton? (Mit , auf drei Stellen.)
Der Abstand zwischen zwei Ladungen wird verdoppelt. Auf das Wievielfache ändert sich der Betrag der Kraft?
Eine Punktladung von erzeugt im Abstand eine Feldstärke von wie vielen ? (Auf eine Nachkommastelle.)
Zwei gleich große positive Punktladungen liegen im Abstand voneinander. Wie groß ist die Feldstärke genau in der Mitte zwischen den beiden Ladungen, und warum?