Elektrostatik

Die Elektrostatik befasst sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und den elektrischen Feldern von geladenen Körpern.

Das elektrische Feld

Das elektrische Feld ist die Grundlage der Elektrostatik. Es handelt sich um ein Vektorfeld, d.h. an jedem Ort des Raumes hat es eine bestimmte Stärke und (wo es nicht Null ist) eine bestimmte Richtung. Die SI-Einheit der elektrischen Feldstärke ist Volt/Meter bzw. Joule/Coulomb.

Die Quelle des elektrischen Feldes ist die elektrische Ladung. In der Elektrostatik läßt sich das Feld über das Coulombgesetz berechnen: Im Abstand $r$ von einer Punktladung $Q$ hat das Feld in SI-Einheiten die Stärke

$E={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\cdot {\frac {Q}{r^{2}}}$.

Im Fall einer positiven Ladung zeigt das Feld radial von der Ladung weg, bei einer negativen Ladung zeigt es zur Ladung hin. Die Felder verschiedener Ladungen addieren sich mit gewöhnlicher Vektoraddition.

Das elektrische Feld bewirkt eine Kraft auf Ladungsträger. Ist das elektrische Feld ${\vec {E}}$ und die Ladung des Teilchens $q$, so erfährt das Teilchen die Kraft

${\vec {F}}=q{\vec {E}}$.

Zusammen ergibt dies, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, ungleichnamige hingegen anziehen, und die Kraft zweier Punktladungen aufeinander mit dem Quadrat des Abstandes abfällt:

$F={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\cdot {\frac {qQ}{r^{2}}}$

Neben dem Feld einer Punktladung ist auch das Feld einer homogen geladenen Kugel, eines Dipols und zweier paralleler geladener Platten (Plattenkondensator) besonders leicht zu berechnen.

Die Elektrostatik ist auf zeitlich konstante elektrische Felder beschränkt. Zur behandlung zeitlich veränderlicher Felder benötigt man die Elekrtrodynaik. Nach dieser sind das elektrische und das magnetische Feld nur zwei verschiedene Aspekte eines elektromagnetischen Feldes. Dies führt dazu, dass elektrische Felder nicht nur durch Ladungen, sondern auch durch veränderliche magnetische Felder erzeugt werden können. Zudem bedingt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld automatisch auch ein Magnetfeld.

Eine Folge davon ist, dass das elektrische Feld bewegter Ladungen im Allgemeinen nicht mehr über das Coulomb-Gesetz berechnet werden kann.

Potential und Spannung

Da eine elektrische Ladung im elektrischen Feld eine Kraft erfährt, wird bei ihrer Bewegung durch das elektrische Feld Arbeit verrichtet, bzw. es muss Arbeit verrichtet werden, um die Ladung gegen das elektrische Feld zu bewegen. Da elektrostatische Felder wirbelfrei sind (konservatives Feld), hängt die benötigte Energie nur vom Start- und Zielort ab, nicht vom genauen Weg. Somit lässt sich eine potentielle Energie der Ladung definieren. Da die Kraft proportional zur Ladung ist, gilt dies auch für die potentielle Energie. Daher kann man die potentielle Energie als Produkt der Ladung und eines Potentials berechnen, welches sich aus dem elektrischen Feld ergibt.

Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten bezeichnet man als elektrische Spannung. Das Produkt aus der Ladung eines Teilchens und der Spannung zwischen zwei Punkten ergibt die Energie, die man benötigt, um das Teilchen vom einen Punkt zum anderen zu bringen. Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt.

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Im allgemeinen befasst sie sich mit hohen Spannungen bei niedrigen Stromstärken. Als klassische Beispiele für die elektrostatische Aufladung und Entladung von Körpern kann das Phänomen der Blitze dienen, wobei die Blitze selbst allerdings keine elektrostatischen Phänomene sind, da in ihnen sehr hohe Ströme fließen. Im Kleinen taucht dieser Effekt auf, wenn man mit Gummisohlen bei trockener Luft über einen Teppichboden schlurft und sich dann bei Berührung von einem Metallgegenstand erdet: Man kriegt eine "gewischt", d.h. es findet eine Spontanentladung statt.

Siehe auch: Influenz, Coulomb, Elektrische Kapazität, Elektroskop