Zwischen geladenen Körpern gibt es eine Wechselwirkungskraft, durch die sie sich gegenseitig anziehen oder abstoßen können. Das Coulomb-Gesetz beschreibt diese Kraft und zeigt, wie stark sie in Abhängigkeit von der Größe und Form des Körpers selbst wirkt. Dieses physikalische Gesetz soll in diesem Artikel behandelt werden.
Inhalt
Stationäre Punktladungen
Das Coulombsche Gesetz gilt für stationäre Körper, deren Größe viel kleiner ist als ihr Abstand zu anderen Objekten. Auf solchen Körpern liegt eine punktförmige elektrische Ladung vor. Bei der Lösung physikalischer Probleme werden die Abmessungen der betreffenden Körper vernachlässigt, da sie keine große Bedeutung haben.
In der Praxis werden ruhende Punktladungen wie folgt dargestellt:
In diesem Fall ist q1 und q2 - sind positiv elektrische Ladungen und werden von der Coulomb-Kraft beeinflusst (in der Abbildung nicht dargestellt). Die Größe der Punktobjekte spielt keine Rolle.
Achtung! Die ruhenden Ladungen befinden sich in einem bestimmten Abstand zueinander, der in den Aufgabenstellungen üblicherweise mit dem Buchstaben r bezeichnet wird. Im weiteren Verlauf des Papiers werden diese Gebühren im Vakuum betrachtet.
Charles Coulombs Torsionswaage
Dieser von Coulomb 1777 entwickelte Apparat trug dazu bei, die Abhängigkeit der später nach ihm benannten Kraft abzuleiten. Sie wird zur Untersuchung der Wechselwirkung von Punktladungen und magnetischen Polen verwendet.
Torsionswaagen haben einen kleinen Seidenfaden, der in einer vertikalen Ebene angebracht ist und an dem ein ausbalancierter Hebel hängt. An den Enden des Hebels befinden sich Punktladungen.
Unter Einwirkung äußerer Kräfte beginnt der Hebel horizontale Bewegungen auszuführen. Der Hebel bewegt sich in der Ebene, bis er durch die elastische Kraft des Fadens ausgeglichen ist.
Bei der Bewegung wird der Hebel in einem bestimmten Winkel von der vertikalen Achse abgelenkt. Dieser wird als d bezeichnet und ist der Drehwinkel. Wenn Sie den Wert dieses Parameters kennen, können Sie das Drehmoment der auftretenden Kräfte ermitteln.
Die Torsionsskalen von Charles Coulomb sehen wie folgt aus:
Der Proportionalitätskoeffizient k und die elektrische Konstante 
Die Formel des Coulombschen Gesetzes hat die Parameter k - den Proportionalitätskoeffizienten oder - die elektrische Konstante. Die elektrische Konstante wird in vielen Nachschlagewerken, Lehrbüchern und im Internet dargestellt und muss nicht berechnet werden! Der Proportionalitätskoeffizient im Vakuum basiert auf kann nach einer bekannten Formel ermittelt werden:
Hier 
- elektrische Konstante,
- die Zahl von Pi,
- ist der Proportionalitätskoeffizient im Vakuum.
Mehr Informationen! Ohne Kenntnis der oben genannten Parameter ist es nicht möglich, die Wechselwirkungskraft zwischen zwei elektrischen Punktladungen zu bestimmen.
Formulierung und Formel des Coulombschen Gesetzes
Um die obigen Ausführungen zusammenzufassen, sollte eine formale Formulierung des wichtigsten Gesetzes der Elektrostatik gegeben werden. Dies geschieht in der Form:
Die Wechselwirkungskraft zweier ruhender Punktladungen im Vakuum ist direkt proportional zum Produkt dieser Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. Und das Produkt der Ladungen muss modulo genommen werden!
In dieser Formel ist q1 und q2 - sind Punktladungen, die betrachteten Körper; r2 - ist der Abstand zwischen diesen Körpern in einer Ebene, der als Quadrat genommen wird; k ist der Proportionalitätsfaktor (
für ein Vakuum).
Die Richtung der Coulomb-Kraft und die Vektorform der Formel
Um die Formel vollständig zu verstehen, kann das Coulombsche Gesetz visuell dargestellt werden:
F1,2 - ist die Wechselwirkungskraft der ersten Ladung mit der zweiten.
F2,1 - ist die Wechselwirkungskraft der zweiten Ladung mit der ersten.
Eine wichtige Regel bei der Lösung elektrostatischer Probleme ist auch, dass sich gleiche Ladungen abstoßen und gleiche Ladungen anziehen. Dies bestimmt die Position der Wechselwirkungskräfte in der Abbildung.
Werden entgegengesetzte Ladungen betrachtet, so sind die Wechselwirkungskräfte aufeinander gerichtet, was ihrer Anziehung entspricht.
Die Formel für das Grundgesetz der Elektrostatik kann in Vektorform wie folgt dargestellt werden
- Die Kraft, die auf die Punktladung q1 wirkt, auf der Ladungsseite q2,
- ist der Radiusvektor, der die Ladung q2 mit der Ladung q1 verbindet,
Wichtig! Wenn man die Formel in Vektorform schreibt, müssen die Wechselwirkungskräfte zweier punktförmiger elektrischer Ladungen auf die Achse projiziert werden, um die Vorzeichen richtig zu setzen. Dieser Vorgang ist eine Formalität und wird oft gedanklich ohne Notizen durchgeführt.
Wo das Coulombsche Gesetz in der Praxis gilt
Das Grundgesetz der Elektrostatik ist die wichtigste Entdeckung von Charles Coulomb, die in vielen Bereichen Anwendung gefunden hat.
Die Arbeit des berühmten Physikers wurde bei der Erfindung verschiedener Geräte, Instrumente und Apparate genutzt. Zum Beispiel der Blitzableiter.
Blitzableiter werden verwendet, um Häuser und Gebäude bei Gewitter vor Blitzschlag zu schützen. Dadurch wird der Schutzgrad der elektrischen Geräte erhöht.
Blitzableiter funktionieren nach folgendem Prinzip: Bei einem Gewitter bauen sich am Boden allmählich starke Induktionsladungen auf, die dann nach oben in die Wolken getragen werden. Dadurch entsteht am Boden ein großes elektrisches Feld. In der Nähe des Blitzableiters wird das elektrische Feld stärker, so dass an der Spitze des Geräts eine elektrische Korona gezündet wird.
Die am Boden gebildete Ladung wird dann von der Ladung auf der Wolke mit entgegengesetztem Vorzeichen angezogen, so wie es nach dem Coulombschen Gesetz sein sollte. Die Luft durchläuft dann einen Ionisierungsprozess und die elektrische Feldstärke wird in der Nähe des Blitzableiterendes geringer. Das Risiko eines Blitzeinschlags in das Gebäude ist daher minimal.
Bitte beachten Sie! Wenn ein Gebäude, auf dem ein Blitzableiter installiert ist, getroffen wird, entsteht kein Feuer, und die gesamte Energie entweicht in den Boden.
Auf der Grundlage des Coulomb-Gesetzes wurde ein Gerät namens "Teilchenbeschleuniger" entwickelt, das heute sehr gefragt ist.
Dieses Gerät erzeugt ein starkes elektrisches Feld, das die Energie der eintretenden Teilchen erhöht.
Die Richtung der Kräfte im Coulomb'schen Gesetz
Wie bereits erwähnt, hängt die Richtung der Wechselwirkungskräfte zweier punktförmiger elektrischer Ladungen von deren Polarität ab. Das bedeutet, dass sich gleichartige Ladungen mit gleicher Polarität abstoßen und Ladungen mit entgegengesetzter Polarität anziehen.
Coulomb-Kräfte können auch als Radiusvektor bezeichnet werden, weil sie werden entlang einer zwischen ihnen gezogenen Linie ausgerichtet.
Bei einigen physikalischen Problemen sind Körper mit komplexer Form gegeben, die nicht als punktförmige elektrische Ladung aufgefasst werden können, d. h. ihre Abmessungen werden vernachlässigt. In einer solchen Situation sollte der betreffende Körper in mehrere kleine Teile zerlegt und jedes Teil separat unter Anwendung des Coulombschen Gesetzes berechnet werden.
Die durch ihre Zerlegung erhaltenen Kraftvektoren werden nach den Regeln der Algebra und der Geometrie addiert. Das Ergebnis ist die resultierende Kraft, die die Lösung der Aufgabe darstellt. Diese Lösungsmethode wird oft als Dreiecksmethode bezeichnet.
Geschichte der Entdeckung des Rechts
Die Wechselwirkung zwischen zwei Punktladungen nach dem oben beschriebenen Gesetz wurde erstmals 1785 von Charles Coulomb nachgewiesen. Dem Physiker gelang es, die Wahrheit des formulierten Gesetzes mit Hilfe von Torsionswaagen zu beweisen, deren Prinzip ebenfalls in dem Artikel vorgestellt wurde.
Coulomb wies auch nach, dass es im Inneren eines kugelförmigen Kondensators keine elektrische Ladung gibt. So kam er zu der Aussage, dass sich die Größe der elektrostatischen Kräfte durch Änderung des Abstands zwischen den betreffenden Körpern verändern lässt.
Das Coulombsche Gesetz ist also nach wie vor das wichtigste Gesetz der Elektrostatik, auf dessen Grundlage viele große Entdeckungen gemacht wurden. In diesem Artikel wird die offizielle Formulierung des Gesetzes vorgestellt und seine Bestandteile werden detailliert beschrieben.
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