Coulombsches Gesetz, elektrischer Strom und Ladungen

Coulombsches Gesetz

Das Coulombsche Gesetz besagt: Die elektrische Kraft, mit der sich zwei ruhende Ladungen Q₁ und Q₂ anziehen, ist direkt proportional zum Produkt der Ladungen Q₁ · Q₂ und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands d, der sie trennt:

|F| = k · (Q₁ · Q₂) / d²

wobei F die Kraft, k eine Konstante mit dem Wert 8,9874 · 10⁹ Nm²/C², Q₁ und Q₂ die elektrischen Ladungen und d der Abstand zwischen den Ladungen ist.

Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C). Ein Coulomb ist die positive Ladung q, die, in einem Vakuum im Abstand von 1 Meter zu einer anderen gleichen Ladung platziert, diese mit einer Kraft von 8,9874 · 10⁹ N abstößt.

Die Einheiten im Coulombschen Gesetz sind:

• Kraft F: Newton (N)
• Ladungen Q₁ und Q₂: Coulomb (C)
• Abstand d: Meter (m)
• Konstante k: Nm²/C²

Die Permittivität des Vakuums ε₀ ist gegeben durch:

ε₀ = 1 / (4 · π · k) ≈ 8,854 · 10^-12 C²/Nm²

Daher kann das Coulombsche Gesetz auch wie folgt ausgedrückt werden:

|F| = (1 / (4 · π · ε₀)) · (Q₁ · Q₂) / d²

• Wenn die Ladungen Q₁ und Q₂ das gleiche Vorzeichen haben, ist die elektrische Kraft F abstoßend.
• Wenn die Ladungen Q₁ und Q₂ entgegengesetzte Vorzeichen haben, ist die elektrische Kraft F anziehend.

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist die Bewegung von elektrischer Ladung, die durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes verursacht wird. Es gibt zwei Arten von elektrischem Strom: Gleichstrom und Wechselstrom.

• Gleichstrom entsteht, wenn die Anwendung eines elektrischen Feldes immer in die gleiche Richtung erfolgt. Gleichstrom impliziert die Existenz eines Elektronenflusses im Leiter, der immer in die gleiche Richtung fließt.
• Wechselstrom entsteht, wenn die Anwendung eines elektrischen Feldes periodisch die Richtung ändert, wodurch auch der elektrische Strom periodisch die Richtung wechselt. Wechselstrom beinhaltet eine Schwingung der Elektronen innerhalb des Leiters mit kleiner Amplitude.

Eigenschaften elektrischer Ladungen

1. Gesetz von der Erhaltung der Ladung: In jedem Prozess, der in einem isolierten System stattfindet, bleibt die Gesamtladung konstant.

2. Hauptsatz der Quantisierung der Ladung: Die elektrische Ladung kann nicht in beliebiger Menge auftreten, sondern nur in Vielfachen einer fundamentalen elektrischen Ladungseinheit. Diese fundamentale elektrische Ladung ist die Ladung eines Elektrons.

Elektrisierungserscheinungen durch Induktion

Induktion ist die Elektrisierung eines elektrisch neutralen Leiters durch einen geladenen Körper.

• Wenn man einen positiv geladenen Körper in die Nähe eines Leiters bringt, werden die Elektronen des Leiters zu diesem Körper hingezogen. Dadurch entstehen zwei Zonen im Leiter: eine mit negativer Ladung in der Nähe des positiv geladenen Körpers und eine mit positiver Ladung auf der gegenüberliegenden Seite.
• Wenn man einen negativ geladenen Körper in die Nähe eines Leiters bringt, werden die Elektronen des Leiters von diesem Körper abgestoßen. Dadurch entstehen zwei Zonen im Leiter: eine mit positiver Ladung in der Nähe des negativ geladenen Körpers und eine mit negativer Ladung auf der gegenüberliegenden Seite.

Durch Induktion ziehen sich der Leiter und der geladene Körper an. Isolatoren werden durch Induktion nur schwach elektrisiert, weshalb leichte Stoffe (z. B. Kork) von elektrisierten Körpern angezogen werden.