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.
- 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.
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