Das Coulombsche Gesetz ist ein Gesetz, das die Kraft definiert, die ein elektrisches Feld auf eine elektrische Ladung ausübt. Dies ist die Kraft, die zwischen elektrisch geladenen Objekten wirkt und operativ durch den Wert der Wechselwirkung zwischen zwei stationären elektrischen Punktladungen im Vakuum definiert wird.
Das Coulombsche Gesetz besagt: „Die elektrische Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen zwei Ladungen ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen.“
Diese Kraft wird Coulomb-Kraft genannt und wurde in der Physik von Charles-Augustin de Coulomb beschrieben.
Charles-Augustin de Coulomb erfand die Torsionswaage zur Messung magnetischer und elektrischer Anziehung. Mit diesem Instrument kann das Drehmoment gemessen werden, das durch die Anwendung einer oder mehrerer Kräfte auf seine Arme entsteht.
Definition des Coulombschen Gesetzes
Das Coulombsche Gesetz besagt, dass die Wechselwirkungskraft zwischen zwei elektrischen Punktladungen direkt proportional zum Produkt der Ladungsgrößen und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den beiden Ladungen ist. Diese Kraft ist anziehend, wenn die Ladungen entgegengesetztes Vorzeichen haben, und abstoßend, wenn sie das gleiche Vorzeichen haben.
Das Gesetz beschreibt, wie elektrische Ladungen sich im Raum gegenseitig beeinflussen, und ist grundlegend für die elektromagnetische Theorie.
Mathematische Formel
Die Coulombkraft kann mit folgender Gleichung berechnet werden:
Wo:
-
F ist die Coulomb-Kraft, ausgedrückt in Newton (N).
-
q 1 ist die erste Punktladung, ausgedrückt in Coulomb (C).
-
q 2 ist die zweite Punktladung (C).
-
r ist der Abstand zwischen zwei Punktladungen, ausgedrückt in Metern (m).
-
k C ist eine elektrostatische Konstante, deren Wert ungefähr 8,988 × 10 9 N m 2 C -2 beträgt
Alle in dieser Definition beschriebenen Größen entsprechen dem internationalen Einheitensystem.
Wenn das Vorzeichen der Kraft positiv ist, bedeutet dies, dass die Kraft abstoßend ist. Ist der Wert hingegen negativ, handelt es sich um eine Anziehungskraft.
Aus der Formel können wir mehrere Schlussfolgerungen ziehen, dass die Kraft direkt proportional zum Produkt der elektrischen Ladungen q 1 und q 2 ist
Beispiele für das Coulombsche Gesetz
Das Coulombsche Gesetz gilt immer dann, wenn elektrische Ladungen und elektrische Felder im Spiel sind. Einige Beispiele aus dem Alltag sind:
- Elektromagnete : Ein Elektromagnet erzeugt eine magnetische Kraft, wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, der um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Die Wechselwirkung zwischen den bewegten elektrischen Ladungen im Inneren des Leiters und dem daraus resultierenden Magnetfeld folgt den Prinzipien des Coulombschen Gesetzes, da sich die Ladungen im Inneren des Leiters je nach ihrem Vorzeichen und ihrem relativen Abstand zueinander anziehen oder abstoßen.
Elektromotoren : Bei Elektromotoren entsteht die Kraft, die die Bewegung antreibt, durch die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen in Magnetfeldern. Diese Wechselwirkung lässt sich mithilfe des Coulombschen Gesetzes verstehen, da Ladungen in den Motorspulen mit anderen Ladungen im Rotor und Stator interagieren und so ein Drehmoment erzeugen, das eine Bewegung bewirkt.- Elektrostatische Aufladung in einem Ballon : Wenn wir einen Ballon an einem Wollpullover reiben, werden einige Elektronen vom Pullover auf den Ballon übertragen, wodurch dieser negativ aufgeladen wird. Diese Ladungsansammlung führt dazu, dass der Ballon eine Anziehungskraft auf entgegengesetzt geladene Objekte ausübt, beispielsweise auf die Atome an der Decke. Aufgrund des Coulombschen Gesetzes üben die überschüssigen Elektronen im Ballon eine Anziehungskraft auf die Protonen der Atome an der Decke aus, wodurch der Ballon vorübergehend an der Oberfläche haften bleibt. Dieses Phänomen ist ein Beispiel dafür, wie elektrostatische Kräfte in der makroskopischen Welt wirken.
- Elektrische Funken : Wenn eine Person an einem trockenen Tag auf einem Teppich läuft und dann eine Metalloberfläche berührt, kann sie einen kleinen elektrischen Schlag bekommen. Dies liegt daran, dass sich beim Gehen Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen auf der Kleidung oder dem Körper ansammeln und so ein Ungleichgewicht entsteht. Das Coulombsche Gesetz erklärt die Ansammlung von Ladungen und die anschließende Freisetzung von Energie in Form eines Funkens, wenn das elektrische Gleichgewicht zwischen dem Körper und dem Metallobjekt wiederhergestellt ist.
- Blitz : Während eines Gewitters sammeln sich in den Wolken Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen. Wenn der Ladungsunterschied groß genug ist, kommt es zu einer elektrischen Entladung in Form eines Blitzes. Dieses Phänomen ist eine Manifestation des Coulombschen Gesetzes, da sich die entgegengesetzten Ladungen zwischen der Wolke und dem Boden mit großer Kraft gegenseitig anziehen.
- Elektrostatische Aufladung auf der Kleidung : Wenn wir einen Woll- oder Synthetikpullover an unserer Kleidung reiben, werden Elektronen übertragen, wodurch eine elektrostatische Aufladung entsteht. Dies kann dazu führen, dass Kleidungsstücke auf der Haut kleben bleiben oder beim Berühren eines Metallgriffs kleine Funken entstehen. Dies liegt daran, dass die elektrischen Ladungen gemäß dem Coulombschen Gesetz interagieren.
- Wechselwirkung zwischen Staubpartikeln und geladenen Oberflächen : An trockenen Orten oder wenn wir bestimmte Materialien reiben, kann es zur Bildung statischer Aufladungen kommen. Dies führt dazu, dass winzige Staubpartikel an geladenen Oberflächen wie einem Telefonbildschirm oder einem Fernsehdisplay haften bleiben, was zeigt, wie entgegengesetzte Ladungen geladene Teilchen anziehen.
- Haushaltsgeräte und Touchscreens : Elektronische Geräte wie Mobiltelefone und Touchscreens funktionieren durch die Wechselwirkung elektrischer Ladungen. Wenn Sie beispielsweise einen kapazitiven Bildschirm berühren, interagieren Elektronen von Ihrem Finger mit den Sensoren des Geräts und erzeugen eine Reaktion auf dem Bildschirm. Alles unterliegt dem Coulombschen Gesetz.
Übung zur Anwendung des Coulombschen Gesetzes
Bestimmen Sie die elektrische Kraft zwischen zwei geladenen Kugeln mit jeweils 1 μC, die in einem Abstand von 1,0 cm platziert sind.
Durchführung der Übung
Zwei elektrische Punktladungen werden in einem Abstand von 1 cm voneinander platziert.
Wir möchten die elektrische Kraft bestimmen, die zwischen den beiden elektrischen Ladungen entsteht, wobei wir wissen, dass jede Ladung eine Intensität von 1 μC hat.
Wir wenden das Coulombsche Gesetz direkt an:
Dabei gilt:
Q 1 = Q 2 = Q = 1 μC = 10 -6 C.
r = 1,0 cm = 10 -2 m
Wenn wir die Formel ersetzen, erhalten wir:
F= 8,988 · 10 9 · (10 -6 · 10 -6 ) / 10 -2 = 89,88 N