Elektrostatik ist die Lehre von den ruhenden elektrischen Ladungen.
Elektrische Ladung
Ein Körper kann z.B. durch Reibung elektrisch aufgeladen werden. Es gibt zwei Sorten von Ladung: positive (rot) und negative (blau). Gleichnamige Ladungen stossen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Ladung ist immer an Materie gebunden. Bei Reibungselektrizität wechseln meist negativ geladene Elektronen die Plätze. Reibt man Bernstein mit Wolle, so wird Bernstein negativ geladen. Reibt man Glas mit Seide, so wird das Glas positiv.
Ladung (Symbol Q, q) wird in Coulomb (C) gemessen. 1 C ist eine riesige Ladungsmenge. Ein Gewitterblitz transportiert Grössenordnung 10 C. Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches Z der Elementarladung e
Q = Z·e
Influenz
Stoffe, welche die Ausbreitung von Ladungen verhindern, heissen Isolatoren; Stoffe, die sie erlauben, Leiter. Metalle sind gute Leiter, weil sie frei bewegliche Elektronen enthalten. Andere Leiter sind z.B. Elektrolyte (Salzlösungen). In Isolatoren sind alle Teilchen chemisch gebunden, z.B. in Glas oder Porzellan. In einem Leiter kann eine äussere Ladung Ladungsverschiebungen bewirken (Influenz). Ladung wird mit Elektroskopen nachgewiesen.
Coulombkraft
Die elektrische Kraft zwischen zwei Punktladungen ist proportional zu jeder der Ladungen und umgekehrt proportional zum Abstand im Quadrat. Die Kraft wirkt entlang der Verbindungslinie.
F = Q1Q2/(4πεr2)
wobei ε = ε0·εr mit
ε0 = 8.854·10-12 As/Vm (elektrische Feldkonstante)
εr (Dielektrizitätszahl für des Materials in der Umgebung)
in Luft oder Vakuum ist εr = 1.000, in Wasser εr = 80
Coulombkräfte mehrerer Ladungen auf eine Probeladung müssen vektoriell addiert werden.
Elektrisches Feld
Der Versuch "Griesskörner in Rizinusöl" zeigt, dass es in der Umgebung von Ladungen etwas gibt, das Griesskörner zu Feldlinien ausrichten kann: Das elektrische Feld. Das Feld verschwindet innerhalb eines Leiters, in Vertiefungen eines Leiters ist es meistens schwach (Faradaykäfig, Faradaybecher), bei Spitzen ist es stark. Das Feld zwischen den Platten eines Kondesators ist homogen, denn die Feldlinien sind gerade und gleichabständig. Feldlinien beginnen bei positiven Ladungen, enden bei negativen Ladungen oder enden gar nicht. Feldlinien stehen senkrecht auf Leiteroberflächen.
Elektrische Feldstärke
Definition: Der elektrische Feldstärkevektor E ist gleich der elektrischen Kraft F auf eine kleine, positive Probeladung q, pro Ladungseinheit:
E = F/q
Einheit: N/C oder V/m (Volt pro Meter)
Die Durchschlagfeldstärke in Luft beträgt ca. 3 MV/m.
Der Feldstärkevektor ist tangential zu den Feldlinien.
Die elektrische Feldstärke in der Umgebung einer Punktladung (Feldladung Q) ist
E = Q/(4πεr2)
Die Feldstärke ausserhalb einer gleichmässig geladenen Kugel ist ebenso gross, wenn man den Abstand zum Kugelmittelpunkt einsetzt.
Die E-Vektoren mehrerer Punktladungen an einem Ort des Raumes können vektoriell addiert werden.
Im Innern eines elektrischen Leiters ist der E-Vektor Null.
Elektrische Spannung
Definition: Die elektrische Spannung UAB zwischen zwei Punkten A und B ist gleich der Arbeit WAB pro Ladungseinheit, welche das elektrische Feld an einer kleinen, positiven Probeladung q auf dem Weg von A nach B verrichtet.
UAB = WAB/q
Einheit: J/C = V (Volt)
In einem homogenen, elektrischen Feld und für einen geraden Weg folgt aus der Definition der Arbeit: UAB = Es·sAB wobei Es die Komponente von E in Wegrichtung ist.
Die Spannung ist zwischen zwei Punkten definiert, entsprechend haben Spannungsmessgeräte (Voltmeter) zwei Anschlüsse.
Bei einem Plattenkondensator mit Plattenfläche A und Spaltbreite d gilt:
E = Q/εA = U/d
Elektronvolt (eV)
1 eV ist die Arbeit, welche das elektrische Feld verrichtet, wenn ein Teilchen mit einer Elementarladung eine Spannung von exakt 1 V durchläuft.
1 eV = 1.6022·10-19 J
Beispiel: Welche Geschwindigkeit erhält ein Teilchen der Ladung Q, wenn es mit der Spannung U beschleunigt wird?
QU = (1/2)mv2 ...
Elektisches Potenzial
Definition: Das elektrische Potenzial φA im Punkt A ist gleich der potenziellen elektrostatischen Energie Eel,pot pro Ladungseinheit, welche eine kleine, positive Probeladung q im Punkt A hat:
φ = Eel,pot/q
Einheit: J/C = V (Volt)
Der Zahlenwert ist erst festgelegt, wenn man einen Nullpunkt bestimmt hat (z.B. Erdung, Masse). Die elektrische Spannung ist gleich einer Potenzialdifferenz. Wenn in einer bestimmten Wegrichtung das Potenzial abnimmt, so wird in diese Richtung eine positive Spannung gemessen. Die Spannung ist ein Potenzialabfall oder eine Potenzialdifferenz:
UAB = φA - φB
Auf eine positive Ladung wirken elektrische Kräfte in Richtung tieferes Potenzial (wichtig für den Strom).