Basiswissen

Die Coulombkraft heißt auch elektrostatische Kraft. Gleiche elektrische Ladungen (++ oder --) stoßen sich ab, ungleiche Ladungen (+-) ziehen sich an. Die Formel sagt, wie stark in Newton.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Gleichartige Ladungen (++ oder --) stoßen sich gegenseitig ab, verschiedenartige Ladungen (+-) ziehen sich an. Die Formel unten zeigt, wie man die Stärke F dieser Kraft berechnen kann: F=[q1 mal q2] geteilt durch [4 mal Pi mal e-null mal r²]☛

Art der Kraft

Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladung: die positiven und die negativen. Teilchen können eine elektrische Ladung haben oder auch nicht. Elektronen habe eine negative, Protonen haben eine positive, Neutronen haben gar keine.

+ und + stoßen sich ab.

und - stoßen sich ab.

+ und - ziehen sich an.

und + ziehen sich an.

Zwischen zwei elektrischen Ladungen wirkt automatisch immer eine Kraft (wenn dazwischen nichts die Kraft abschirmt). Zwei gleiche Ladungen stoßen sich immer ab. Zwei ungleiche ziehen sich immer an. Die Coulomb-Kraft ist im Vergleich mit der Schwerkraft extrem viel stärker. Sie verliert mit der Entfernung aber schneller ihre Stärke als die Schwerkraft.

Formel

F = (q₁·q₂) : (4·π·e₀·r²)

Legende

◦ F ist die Kraft, mit der sich q1 und q2 anziehen oder abstoßen, oft in Newton ↗

◦ q₁ ist eine kugelsymmetrische Ladungsmenge [oft in Coulomb] ↗

◦ q₂ ist eine kugelsymmetrische Ladungsmenge [oft in Coulomb] ↗

◦ π ist die Kreiszahl Pi [etwa 3,14] ↗

◦ e₀ ist die elektrische Feldkonstante ↗

◦ r ist der Abstand der beiden Ladungsmittelpunkte

◦ Die elektrische Feldkonstante e0 hat den Wert:

◦ 8,854187817 mal 10 hoch -12 As/Vm

Nützliche Werte

-1,6022 mal 10 hoch -19 Coulomb ist die Elektronenladung ↗

+1,6022 mal 10 hoch -19 Coulomb ist die Protonenladung ↗

Etwa 25 Pikometer (10 hoch -15 Meter) ist ein typischerAtomradius ↗

Analogie zum Gravitationsgesetz

Das Coulombgesetz für die Kraft zwischen elektrischen Ladungen und das Gravitationsgesetz für die Kraft zwischen Ladungen sind formal, das heißt von der Form der Terme für die Berechnung sehr ähnlich. Man spricht von einer Analogie:

F = (q₁·q₂):(4·π·e₀·r²)

F = G·m₁·m₂:r²

Die beiden Ladungen q des Coulombgesetzes entsprechen als Faktoren im Zähler den beiden Massen m im Gravitationsgesetz. Und bei beiden Termen wird durch das Quadrat des Abstandes r dividiert. Man sagt, dass die Kraft quadratisch mit dem Abstand abnimmt. Die restlichen Bestandteile der Formel kann man zu einer Konstanten zusammenfassen. Beim Gravitationsgesetz hat man als einzige Konstante das große G. Beim Coulombgesetz könnte man das Produkt 4·π·e₀ zu einer Konstanten zusammenfassen, was aber unüblich ist. Siehe auch Gravitationsgesetz ↗

Dass ein Gesetz zur mathematischen Beschreibung der Kräfte zwischen zwei Dingen formal genau so aussehen muss ist jedoch nicht zwingend logisch. Es gibt zum Beispiel auch Gesetzmäßigkeiten, bei denen die Kraft nicht quadratisch sondern mit sehr viel höheren Potenzen mit dem Abstand sinkt. Das beantwortet letztendlich, wieso ein Atomkern aus nur positiven (oder neutralen) Bestandteilen nicht auseinanderfliegt. Und in der Antwort enthalten ist auch die Idee zur Gewinnung von Energie aus Kernspaltungen, etwa in Kernkraftwerken oder Atombomben. Ein Einstieg in diesen Gedanken ist der Artikel zum Coulombwall ↗

Was ist eine Singularität?

Das kleine r in der Formel steht für den Abstand zwischen zwei Ladungen. Betrachtet man die Ladungen als sogenannte Punktladung, dann hätten sie selbst keine Ausdehnung, sie wären sozusagen nulldimensional. Man könnte ihren Astand dann auf Null verringern, sie also direkt ineinander legen. Das würde für die Formel aber bedeuten, dass man durch die Zahl Null dividieren müsste. Die Division durch Null ist aber nicht definiert. Damit liefert diese Formel keine Aussage, welcher physikalische Zustand im Abstand r=0 herrschen würde. Bestimmte Orte oder Zeiten, für die Formeln der Physik nicht definiert sind oder wo deren Grenzwerte gegen unendlich streben nennt man in der Physik eine Singularität (Physik) ↗