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Coulombsches Gesetz



Das Coulomb-Gesetz (nach Charles Augustin de Coulomb, 1785) bildet die Basis der Elektrostatik und beschreibt die Kraft zwischen zwei kugelsymmetrisch verteilten elektrischen Ladungen. Es besagt, dass der Betrag dieser Kraft proportional zum Produkt der beiden Ladungsmengen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der Kugelmittelpunkte ist. Die Kraftrichtung wirkt je nach Vorzeichen der Ladungen anziehend oder abstoßend in Richtung der Verbindungsgeraden der Mittelpunkte. Bei mehr als zwei Ladungen werden die einzelnen Kraftvektoren addiert (Superposition).

Coulomb-Kraft im Vakuum

Das Coulomb-Gesetz wurde von Coulomb um 1785 entdeckt und in umfangreichen Experimenten verifiziert. Im Internationalen Einheitensystem und in skalarer Form ist die Kraft demnach

F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2},

wobei q1 und q2 zwei jeweils kugelsymmetrisch verteilte Ladungsmengen, r der Abstand zwischen deren Mittelpunkten und \varepsilon_0 die Permittivität des Vakuums (elektrische Feldkonstante) sind. Die allgemeine vektorielle Notation ergibt das Coulomb-Kraftfeld:

\vec{F} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} \cdot \vec{e_r}.

Hierbei ist \vec{e_r} ein Einheitsvektor in Richtung der Verbindungslinie der Ladungsmittelpunkte. Dabei gilt, dass sich Ladungen mit gleichem Vorzeichen (gleichnamige Ladungen) abstoßen und solche mit verschiedenem Vorzeichen (ungleichnamige Ladungen) anziehen.

Weiter ist

\vec{E} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1}{r^2} \cdot \vec{e_r}

der Vektor der Feldstärke des von der Ladung q1 erzeugten elektrischen Feldes im Abstand r vom Mittelpunkt.

Die Konstante

k_{C} = \frac {1}{4 \pi \varepsilon_0}

wird auch als Coulomb-Konstante bezeichnet. Es gilt:

k_{C} = \frac {1}{4 \pi} \cdot \mu_0 \cdot c_0^2 = c_0^2 \cdot 10^{-7} \mathrm{\frac{Vs}{Am}} \approx 8{,}987551787 \cdot 10^9 \, \mathrm{\frac{Vm}{As}}

Im Gaußschen und elektrostatischen CGS-Einheitensystem wird das Coulomb-Gesetz zur Definition der elektrischen Ladung benutzt. Eine Ladungseinheit wirkt auf eine zweite im Abstand 1 cm mit der Kraft 1 dyn. Die elektrische Basiseinheit der Einheitensysteme SI, CGS-ESU und CGS-EMU unterscheidet sich prinzipiell nur durch die Festlegung von µ0:

  • Im CGS-ESU ist µ0 auf 4π/c02 festgelegt. Daher ist die Coulomb-Konstante eine dimensionslose Größe mit dem Wert 1.
  • Im CGS-EMU ist µ0 auf die dimensionslose Größe von 4π festgelegt. Daher ist die Coulomb-Konstante gleich c02.

Coulomb-Kraft in einem Medium

Das Coulomb-Gesetz lässt sich auf einfache Weise auf den Fall von Ladungen in homogenen, isotropen, linearen Medien erweitern. Das die Ladungen umgebende Material muss sich dazu in guter Näherung diese Eigenschaften besitzen:

  • Es ist elektrisch neutral.
  • Es füllt den Raum zwischen den Ladungen und um diese herum gleichmäßig (homogen) aus.
  • Die Polarisierbarkeit des Mediums ist richtungsunabhängig.
  • Die Polarisierung ist proportional zum elektrischen Feld, das von den Ladungen erzeugt wird.

Insbesondere verlangt die Homogenität, dass der atomare Charakter der Materie im Vergleich zum Abstand der Ladungen vernachlässigbar ist.

Für solche Medien schreibt sich das Coulomb-Gesetz in gleicher Form wie im Vakuum, mit dem einzigen Unterschied, dass ε0 durch ε = ε0·εr ersetzt wird.

F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0 \varepsilon_r} \frac{q_1 q_2}{r^2}

Die relative Permittivität εr ist bei isotropen Medien eine Materialkonstante, die der Polarisierbarkeit des Mediums Rechnung trägt. Sie kann sowohl durch Messungen als auch aus theoretischen Überlegungen gewonnen werden.

In der Umkehrung gilt im Vakuum εr = 1.


Literatur

  • Dieter Meschede: Gerthsen Physik. 23. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2006, ISBN 3-540-25421-8
 
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