Grundlagen der Elektrostatik und das Millikan-Experiment

Elektrisches Feld

Das elektrische Feld ist ein Modell, das die Interaktion zwischen Einrichtungen und Systemen mit elektrischen Eigenschaften in der Natur beschreibt. Mathematisch wird es als Vektorfeld beschrieben, in dem eine elektrische Ladung q eine mechanische Kraft F erfahren würde.

Feldlinien

• Die Feldlinien stehen senkrecht auf der Oberfläche des Körpers, sodass die Tangente in einem Punkt mit der Feldrichtung an diesem Punkt übereinstimmt.
• Eine stärkere Konzentration der Linien entspricht einem größeren Betrag. Im Beispiel einer geladenen Scheibe ist das Feld in der Nähe der Oberfläche am stärksten und nimmt mit zunehmender Entfernung ab.
• Die Verknüpfung der Punkte, an denen das elektrische Feld gleich ist, bezeichnet man als Niveaulinien (siehe elektrisches Potenzial), also Punkte, an denen das Potenzial den gleichen numerischen Wert hat.

Gaußsches Gesetz

In der Physik und der mathematischen Analyse beschreibt das Gaußsche Gesetz den elektrischen Fluss durch eine geschlossene Oberfläche in Bezug auf die innerhalb dieser Fläche eingeschlossene elektrische Ladung. Ebenso verknüpft es die Divergenz des elektrischen Feldes mit der Ladungsdichte.

Millikan-Experiment

Das Millikan-Experiment, auch Öltröpfchenexperiment genannt, wurde erstmals 1909 von dem amerikanischen Physiker Robert Millikan durchgeführt und ermöglichte es ihm, die Ladung des Elektrons zu messen.

• Das Experiment besteht aus der Einführung von Öltröpfchen mit einem Radius von etwa einem Mikrometer in ein gasförmiges Medium. Diese Tröpfchen fallen sehr langsam mit gleichförmiger Bewegung, wobei ihr Gewicht durch die Viskosität des Mediums ausgeglichen wird. Diese Art der Bewegung wird durch das Stokes-Gesetz geregelt.
• Die Tröpfchen werden beim Austritt aus dem Zerstäuber elektrostatisch geladen, sodass ihre Fallbewegung durch ein vertikales elektrisches Feld wesentlich verändert wird. Durch die Anpassung der Stärke des elektrischen Feldes kann erreicht werden, dass die Tröpfchen in der Schwebe bleiben.
• Durch die Kenntnis der Masse m des Tropfens, der elektrischen Feldstärke E und der Erdbeschleunigung g kann die Ladung q des Tropfens im Gleichgewicht berechnet werden.

Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten

Das elektrische Potenzial an einem Punkt ist definiert als die Arbeit, die durch eine elektrische Kraft (Coulomb-Gesetz) verrichtet werden muss, um eine positive Ladung q aus dem Unendlichen (wo das Potenzial Null ist) zu diesem Punkt zu verschieben, geteilt durch die Ladung selbst.