Grundlagen der Elektrostatik und elektrischer Strom

Das Coulomb-Gesetz und elektrische Ladungen

Für zwei konstante elektrische Ladungen ist die elektrische Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen. Die elektrische Kraft variiert je nach Typ des materiellen Trägers zwischen den Ladungen. Elektrische Kräfte zwischen zwei Ladungen wirken entlang der Verbindungslinie. Im quantitativen Sinne gilt: Wenn die Ladungen das gleiche Vorzeichen haben, entstehen Abstoßungskräfte; wenn die Ladungen entgegengesetzt sind, entstehen Anziehungskräfte.

Das Gesetz besagt, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen direkt proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen ist:
F = K * q₁ * q₂ / r²
Dabei ist K = 9 * 10⁹ Nm² / C².

Das elektrische Feld

Es ist eine Region im Raum, in der eine Ladung eine elektrische Kraft erfährt.

Intensität des elektrischen Feldes (E)

Die Feldstärke E an einem Punkt im Raum ist die Kraft pro Einheitsladung: E = F / q.

Darstellung des elektrischen Feldes

Felder werden grafisch mittels Feldlinien dargestellt. Diese beschreiben die Wege, auf denen sich eine ideale positive elektrische Testladung frei im Feld bewegen würde.

• 1. Wenn das elektrische Feld durch eine positive Ladung erzeugt wird, neigt jede weitere positive Probeladung dazu, sich von der ladungserzeugenden Quelle zu entfernen.
• 2. Wenn die ladungserzeugende Quelle eine negative Ladung ist, wird die positive Probeladung von dieser angezogen.

Leiter und Isolatoren

In Leitern können sich elektrische Ladungen bewegen, in Isolatoren hingegen nicht. Zum Beispiel verbreitet sich die Ladung eines elektrifizierten Kupferdrahtes bis zum Elektroskop. Holz ist ein Isolator, während Kupfer ein Leiter ist.

Der Unterschied zwischen Leitern und Isolatoren wird durch die unterschiedliche Atomstruktur erklärt. In Leitern gibt es freie Elektronen, die sich bewegen können. In Isolatoren sind die Elektronen fest an bestimmte Atome gebunden, und ihre Verschiebung durch das Material ist nicht einfach.

Verteilung der Ladungen in Leitern

Die elektrischen Ladungen eines Leiters im elektrostatischen Gleichgewicht verteilen sich an dessen Oberfläche. Dies ist als Oberflächeneffekt oder Spitzenwirkung bekannt.

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist bekannt als die Bewegung von Ladungsträgern durch einen Leiter. Je nach Material können sich bewegen:

• Feststoffe: Elektronen können sich bewegen.
• Flüssigkeiten: Ionen können sich bewegen.
• Gase: Sowohl Elektronen als auch Ionen können sich bewegen.

Der Stromkreis

Ein Stromkreis ist ein Weg, über den elektrische Energie fließt. Er muss mindestens folgende Komponenten enthalten:

• Generator: Er liefert den Strom.
• Empfänger: Er wandelt die elektrische Energie um.
• Verbindungselemente (Leiter): Sowie ein Schalter, um den Stromkreis zu öffnen oder zu schließen.