Elektrostatik

Elektrostatik
Elektrische Ladung, Coulombsches
Gesetz, Feldstärke, Potential u.
Spannung
Reibungselektrizität:
Wenn zwei Materialien aneinander gerieben werden, kann es zum „wandern“ von
Elektronen kommen, von einem Material zum anderen, da nicht alle Materialien ihre
Elektronen gleich „fest halten“.
Die elektrische Ladung:
Einheit der elektrischen Ladung Q ist 1 1
Bildlich:
Physikalisch: ∙
∙
I
t
Eigenschaften elektrischer Ladung:
• Es gibt positive und negative Ladung
• Ladungen üben aufeinander Kräfte aus. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich
an, gleichnamige stoßen sich ab.
• Ladungserhaltung: Die Summe der Ladungen in einem abgeschlossenen System
ist konstant.
• Die Ladung ist quantisiert. Ladung ist immer ein Vielfaches der Elementarladung.
• Ladung verhalten sich additiv. Die Gesamtladung eines Systems ist gleich der
Summe der enthaltenen Einzelladungen.
Ladung im Atom:
Atomkern:
• Neutronen, Ladung = 0
• Protonen, Ladung = +e
Atomhülle:
• Elektronen, Ladung = -e
Materialien in denen die Elektronen ortsfest sind, leiten keinen
Strom Isolatoren.
Materialien die bewegliche Elektronen enthalten, leiten den
Strom Leiter.
In elektrischen Leitern kann ein elektrischer Strom „fließen“.
… I 1A
Coulombsches Gesetz:
Aus dem Gravitationsgesetz ist bekannt:
m2
# $
m1
% ∙ &
'&
Analog:
1
% ∙ &
( =
∙
4 ∙ * ∙ +,
'&
Q2
Q1
Coulombsches Gesetz
Die Coulomb Kraft FC kann anziehend oder abstoßend
sein in Richtung des kürzesten Abstands.
Feldstärke:
In der Mechanik ist die
-ä'/ =
#01023405
6033
Zum Beispiel ist die Gravitationskraft größer, je größer die Masse ist.
1
78 = ∙ 98
In der Elektrostatik ist analog die
/':;<-ä'/ =
1
@ = ∙ (
A
@ '8 =
(
1
% '8
=
∙ &∙
& 4 ∙ * ∙ +, '
'8
(2=2405
>0?
Potentielle Energie:
Wie groß ist die potentielle Energie in einem elektrischen Feld?
In der Mechanik muss ein Punkt festgelegt werden, an dem die Potentielle Energie=0 ist.
Elektrostatik :
+, elektrische Feldkonstante
@ elektrische Feldstärke
R
%
@('8) = S = U∙V∙W ∙ TY
T
X
Der Nullpunkt der potentiellen Energie wird festgelegt bei: ' → ∞
Die Coulombkraft auf eine Punktladung q beträgt: ( = A ∙ @
\ = −A ^ @ ∙ -8
Damit beträgt die Arbeit:
Nun soll die potentielle Energie ermittelt werden, also die Arbeit die verrichtet wird um
eine Punktladung q auf den Abstand r zu bringen:
@_2
A∙
1
∙ ∙ -' ≈
= −A `
4 ∙ * ∙ +, ' &
4 ∙ * ∙ +, ∙ '
a
Potential und Spannung:
Mechanik:
c:d =
_2==e
6033
Die potentielle Energie ist wegunabhängig.
Elektrostatik:
/'d:;<c:d =
f ' =
Quelle: Gerthsen
_2==e
>0?
@_2 P'8Q
A
Das elektrostatische Potential ist die potentielle Energie pro Ladung.
Die Verschiebeenergie zwischen r1 und r2 ist immer dieselbe, gleichgültig auf
welchem Weg man von r1 nach r2 gelangt.
Die Potentialdifferenz ∆f = f '& ] f '% nennt man die elektrische Spannung U.
i
h = 1 1j