Elektrostatisches Feld: Eine Einführung
Das Grundkonzept der Elektrostatik ist ein statisches elektrisches Feld, das entweder durch ein Vektorfeld der elektrischen Feldintensität oder durch ein skalares Potential beschrieben werden kann. Die abgeleiteten SI-Einheiten für das elektrische Feld sind Volt pro Meter (V/m), was genau Newton pro Coulomb (N/C) entspricht. Dieses elektrostatische Feld und die Kraft, die es erzeugt, können mit Linien dargestellt werden, die als „Kraftlinien“ bezeichnet werden.
Über das Elektrostatische Feld
Elektrostatische Felder sind elektrische Felder, die sich mit der Zeit nicht ändern. Solche Felder sind vorhanden, wenn Systeme geladener Materie stationär sind oder wenn elektrische Ströme unverändert bleiben. Das elektrostatische Feld wird mathematisch als Vektorfeld definiert, das jedem Punkt im Raum die Coulomb-Kraft pro Ladungseinheit zuordnet, die auf eine infinitesimal kleine positive Testladung an diesem Punkt ausgeübt wird. Elektrische Feldlinien sind imaginäre Linien oder Kurven, die durch einen Raum gezogen werden, so dass ihr Tangentenvektor an jedem Punkt in Richtung des elektrischen Feldvektors an diesem Punkt zeigt. Die Anzahl der Linien pro Flächeneinheit (senkrecht zu ihrer Richtung) ist proportional zur Größe des elektrischen Feldes am Punkt.
Berechnung des Elektrischen Feldes
Das elektrische Feld, eine Vektorgröße, ist die Kraft pro Ladungseinheit, die auf eine Testladung an einem beliebigen Punkt ausgeübt wird. Das elektrische Feld E an einem Punkt wird als die elektrische Kraft F0, die eine Testladung q0 am Punkt erfährt, geteilt durch die Ladung q0 definiert. Das heißt, das elektrische Feld an einem bestimmten Punkt ist gleich der elektrischen Kraft pro Ladungseinheit, die von einer Ladung an diesem Punkt erfahren wird. Das elektrische Feld, das von einer Punktquelle erzeugt wird, kann dann nach der folgenden Formel berechnet werden:
Superposition von Elektrischen Feldern
Das elektrische Feld einer beliebigen Kombination von Ladungen ist die vektorielle Summe der Felder, die von den einzelnen Ladungen verursacht werden. Um das elektrische Feld zu berechnen, das von einer kontinuierlichen Ladungsverteilung verursacht wird, teilt man die Verteilung in kleine Elemente auf, berechnet das Feld, das von jedem Element verursacht wird, und führt dann die vektorielle Summe durch, normalerweise durch Integrieren.
Beispiel: Elektrische Ladung
Bemerkenswert ist, dass in vier Litern Wasser etwa 2,1 x 108C an gesamter Elektronenladung vorhanden sind. Wenn wir also zwei Flaschen einen Meter voneinander entfernt platzieren, stoßen die Elektronen in einer Flasche die in der anderen mit einer Kraft von 4,1 x 1026N ab. Diese gewaltige Kraft ist vergleichbar mit der Kraft, die der Planet Erde wiegen würde, wenn er auf einem anderen Planeten gewogen würde.
Häufig gestellte Fragen
Welche Teilchen in Atomen haben eine elektrische Ladung?
Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist, so dass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist. Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen.
Warum werden Protonen und Elektronen angezogen?
Die Elektronen in einem Atom werden von den Protonen im Kern durch die elektromagnetische Kraft angezogen. Diese Kraft bindet die Elektronen innerhalb eines elektrostatischen Potenzialbrunnens um den kleineren Kern, was bedeutet, dass eine externe Energiequelle benötigt wird, damit das Elektron entkommen kann.
Was ist die Einheit der elektrischen Ladung?
Das Coulomb (Symbol: C) ist die Internationale Einheit (SI) der elektrischen Ladung. Das Coulomb wurde als die Menge an Elektrizität definiert, die in einer Sekunde von einem Strom von einem Ampere transportiert wird: 1 C = 1 A × 1 s
