Elektrisches Feld und Coulombsches Gesetz

Ein geriebener Luftballon zieht Haare an, ohne sie zu berühren. Elektrische Ladungen wirken über eine Entfernung aufeinander – den Raum, in dem das passiert, nennt man elektrisches Feld.

Ladungen ziehen sich an oder stoßen sich ab

Es gibt zwei Sorten elektrischer Ladung: positive und negative. Elektronen sind negativ geladen, Protonen im Atomkern positiv. Die Einheit der Ladung Q ist das Coulomb (1 C = 1 A · s). Ein Elektron trägt die kleinste freie Ladung, die Elementarladung e = 1,602 · 10−19 C.

Merke

Gleichnamige Ladungen (+ und + oder − und −) stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen (+ und −) ziehen sich an.

Beim Reiben eines Ballons an Haaren oder Wolle gehen Elektronen über: Der Ballon wird negativ, die Haare positiv geladen. Ladung wird dabei nicht erzeugt, sondern nur getrennt.

Das Coulombsche Gesetz

Wie groß die Kraft zwischen zwei punktförmigen Ladungen ist, hat Charles-Augustin de Coulomb 1785 gemessen:

F = k · Q1 · Q2 / r² Coulombsches Gesetz

  • k = 1 / (4πε0) ≈ 8,99 · 109 N · m²/C² (Coulomb-Konstante), ε0 = 8,854 · 10−12 C/(V · m) (elektrische Feldkonstante)
  • Wie beim Gravitationsgesetz: doppelter Abstand → ein Viertel der Kraft.
  • Anders als die Gravitation kann die elektrische Kraft auch abstoßen – und sie ist ungeheuer viel stärker.

Beispiel: Zwei geladene Kugeln

Q1 = Q2 = 50 nC = 5 · 10−8 C, Abstand r = 10 cm = 0,1 m:
F = 8,99 · 109 · 5 · 10−8 · 5 · 10−8 / 0,1² N ≈ 2,2 · 10−3 N – etwa die Gewichtskraft von 0,2 g.

Feldlinien

Ein elektrisches Feld kann man nicht sehen, aber mit Feldlinien darstellen. Sie zeigen, in welche Richtung die Kraft auf eine positive Probeladung wirkt.

+−+ + +− − −inhomogenes Feld (Dipol)homogenes Feld
Feldlinien beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen. Zwischen zwei Platten verlaufen sie parallel.
  • Feldlinien beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen.
  • Sie schneiden sich nie und stehen senkrecht auf der Oberfläche von Leitern.
  • Wo sie dicht liegen, ist das Feld stark.
  • Zwischen zwei parallelen, entgegengesetzt geladenen Platten verlaufen sie parallel und gleich dicht: ein homogenes Feld. Diese Anordnung heißt Plattenkondensator.

Elektrische Feldstärke

Die Feldstärke E gibt an, wie groß die Kraft auf eine Probeladung q pro Coulomb ist:

E = F / q Elektrische Feldstärke in N/C = V/m

Im homogenen Feld eines Plattenkondensators mit der Spannung U und dem Plattenabstand d gilt einfach:

E = U / d

Beispiel: Feldstärke zwischen zwei Platten

U = 230 V, d = 5 mm = 0,005 m: E = 230 V / 0,005 m = 46 000 V/m. Ab etwa 3 000 000 V/m schlagen in trockener Luft Funken über – so entstehen auch Blitze.

Elektrische Felder im Alltag

  • Influenz: Ein geladener Körper verschiebt in einem Leiter in der Nähe die Elektronen. Deshalb zieht ein geladener Kamm auch ungeladene Papierschnipsel an.
  • Faradayscher Käfig: Im Inneren eines geschlossenen Metallgehäuses ist das Feld null. Darum ist man im Auto oder Flugzeug bei Gewitter sicher.
  • Blitz: Zwischen Wolke und Boden baut sich ein riesiges Feld auf, bis die Luft leitend wird und sich die Ladung schlagartig ausgleicht.
  • Touchscreen und Kopierer nutzen elektrische Felder, ein Elektrofilter im Schornstein holt geladenen Staub aus dem Abgas.

Teste Dich selbst

1. Ein negativ geladener Ballon wird einer negativ geladenen Folie genähert. Was passiert?
Lösung anzeigen

Richtig: Sie stoßen sich ab. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

2. Der Abstand zweier Ladungen wird verdreifacht. Wie ändert sich die Coulombkraft?
Lösung anzeigen

Richtig: Sie wird ein Neuntel so groß. Die Kraft ist umgekehrt proportional zu r²: 3² = 9.

3. Woran erkennt man in einem Feldlinienbild ein starkes Feld?
Lösung anzeigen

Richtig: An dicht liegenden Feldlinien. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Stärke des Feldes.

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