Superpositionsprinzip, elektrisches Feld & Ladungen

Experimentelle Befunde zum Superpositionsprinzip

Es wurde experimentell festgestellt, dass, wenn mehrere Teilchen miteinander interagieren und die Kräfte, die sie aufeinander ausüben, additiv sind. Daher ist die resultierende Kraft auf eines von ihnen gleich der Vektorsumme der Kräfte, die von den anderen Teilchen auf es ausgeübt werden. Diese Eigenschaft wird als Superpositionsprinzip bezeichnet und kann folgendermaßen formuliert werden: Wenn eine Ladung gleichzeitig von mehreren unabhängigen Ladungen beansprucht wird, ist die resultierende Kraft die vektorielle Summe der Kräfte, die durch jede einzelne Ladung ausgeübt werden.

Elektrisches Feld

Die Kraft F auf eine Ladung q in einem elektrischen Feld E ist gegeben durch:

F = *q*E

• Wenn die Ladung q positiv ist, haben F und E die gleiche Richtung.
• Wenn die Ladung q negativ ist, haben F und E die entgegengesetzte Richtung.

Feldlinien können sich nicht schneiden, da das Feld an jedem Punkt eindeutig ist.

Bewegung von Ladungen

• Positive Ladungen bewegen sich immer in Richtung abnehmenden Potenzials. Die Arbeit wird vom Feld verrichtet.
• Wenn wir uns in Richtung zunehmenden Potenzials bewegen, verrichten wir die Arbeit.
• Negative Ladungen bewegen sich immer in Richtung zunehmenden Potenzials.

Gemeinsamkeiten von Gravitations- und elektrischen Feldern

• Beide Felder sind zentral, d. h. sie sind radial von der Stelle gerichtet, an der die Masse oder die Ladung, die das Feld erzeugt, sich befindet.
• Sie sind konservativ, da die Kraft nur von der Entfernung abhängt.
• Die Stärke beider Felder ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung.
• Die Kraftlinien sind offen und stehen senkrecht zu den Äquipotenziallinien.

Unterschiede zwischen Gravitations- und elektrischen Feldern

• Das Gravitationsfeld ist universell: Es existiert für alle Körper. Das elektrische Feld existiert nur, wenn die Körper elektrisch geladen sind.
• Die Gravitationskraft ist immer anziehend, während die elektrische Kraft anziehend oder abstoßend sein kann.
• Die Konstante K im elektrischen Feld ist etwa 10²⁰-mal größer als die Konstante G im Gravitationsfeld. Dies zeigt, dass die Gravitationskraft im Vergleich zur elektrischen Kraft sehr schwach ist.
• G ist eine universelle Konstante, während K keine universelle Konstante ist, da ihr Wert von der Umgebung abhängt.
• Eine Masse in Ruhe oder in Bewegung erzeugt immer das gleiche Gravitationsfeld. Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt neben dem elektrischen Feld auch ein Magnetfeld.