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Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Elektrizitätslehre, primär die Eigenschaften elektrischer Ladungen, das Coulomb-Gesetz zur Kraftberechnung sowie die Konzepte des elektrischen Feldes und der Spannung.
Die elektrische Ladung (Formelzeichen Q) ist eine fundamentale Eigenschaft von Materie. Es gibt zwei Arten von Ladungen: positive (getragen von Protonen) und negative (getragen von Elektronen). Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, während ungleichnamige Ladungen einander anziehen. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb [C].
Ladung tritt in der Natur nur in diskreten Paketen auf, was man als Quantelung bezeichnet. Die kleinste frei vorkommende Ladungsmenge ist die Elementarladung (e), die etwa 1,602 × 10⁻¹⁹ C beträgt. Jede Ladung Q ist somit ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung (Q = n × e). Ein wichtiger Erhaltungssatz besagt, dass in einem abgeschlossenen System die Gesamtladung stets konstant bleibt (Ladungserhaltung).
Zwischen zwei punktförmigen Ladungen wirkt die Coulomb-Kraft (F_C). Diese Kraft ist proportional zum Produkt der beiden Ladungsmengen (q₁, q₂) und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands (r²) zwischen ihnen. Die Formel lautet F_C = k × (q₁ × q₂)/(r²), wobei k die Coulomb-Konstante ist. Verdoppelt man den Abstand, sinkt die Kraft auf ein Viertel ihres ursprünglichen Wertes.
Um eine Ladung herum existiert ein elektrisches Feld. Dies ist ein Zustand des Raumes, in dem auf andere Ladungen eine Kraft ausgeübt wird. Zur Veranschaulichung nutzt man Feldlinien, die per Definition von positiven Ladungen (Quellen) weg und zu negativen Ladungen (Senken) hin verlaufen. Die Dichte der Feldlinien gibt dabei die Stärke des Feldes an.
Die elektrische Feldstärke (E) beschreibt die Kraftwirkung des Feldes auf eine Probeladung q. Sie ist definiert als Kraft pro Ladung: E = (F)/(q). Die Einheit der Feldstärke ist Newton pro Coulomb [N/C] oder Volt pro Meter [V/m]. In einem homogenen Feld (z. B. zwischen zwei parallelen Platten) ist die Feldstärke an jedem Punkt gleich groß und die Feldlinien verlaufen parallel.
Die elektrische Spannung (U) beschreibt den energetischen Unterschied zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld. Man kann sie sich als den 'Druck' oder Antrieb vorstellen, der Ladungen bewegt. Sie ist definiert als die verrichtete Arbeit (W) pro Ladungsmenge (q): U = (W)/(q). Die Einheit der Spannung ist das Volt [V].
Ein praktisches Fallbeispiel zur Coulomb-Kraft: Wenn zwei Ladungen von jeweils 1 µ C (10⁻⁶ C) in einem Abstand von 1 Meter platziert werden, beträgt die Kraft etwa 0,009 Newton. Würde man den Abstand auf 0,5 Meter halbieren, würde die Kraft aufgrund des quadratischen Abstandsgesetzes auf das Vierfache, also etwa 0,036 Newton, ansteigen.
