Coulomb-Gesetz
Englisch: Coulomb's law
Das Grundgesetz der Elektrostatik: Die Kraft zwischen zwei Punktladungen ist proportional zum Produkt ihrer Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen.
Coulombsches Gesetz: inverse quadratische Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Das Coulombsche Gesetz quantifiziert die elektrostatische Kraft zwischen zwei Punktladungen. Die Kraft ist direkt proportional zum Produkt der Ladungsbeträge und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. In SI-Einheiten ist die Kraft zwischen den Ladungen Q₁ und Q₂ im Abstand r gegeben durch F = k(Q₁Q₂)/r², wobei k etwa 8,99 × 10⁹ N·m²/C² beträgt. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab; ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Das Gesetz gilt für Punktladungen im Vakuum oder in Luft, allerdings ändert sich die Konstante k in verschiedenen dielektrischen Medien.
Elektrotechniker verwenden das Coulombsche Gesetz zur Vorhersage des Feldverhaltens in Kondensatoren, elektrostatischen Sensoren und Hochspannungssystemen. In einem Plattenkondensator entspricht das homogene Feld zwischen den Platten den Bedingungen, die das Coulombsche Gesetz beschreibt. Bei Luftspaltdurchschlägen hilft das Gesetz zu berechnen, wann die Feldstärke Ionisierung und Lichtbogenbildung auslöst. Bei Berechnungen von Geräteabständen und Kriechstrecken, besonders bei Hochspannungsschaltanlagen und Transformatorenbau, bildet das Coulombsche Gesetz die theoretische Grundlage für die Feldstärkeschätzung.
Praktische Grenzen und Variationen
Das Coulombsche Gesetz setzt Punktladungen voraus: physische Leiter haben endliche Größe und die Oberflächenladungsdichte variiert. Reale Leiter befolgen das Gesetz bei Abständen, die viel größer sind als ihre Abmessungen. Bei zusammengesetzten Isolatoren oder geschichteten Dielektrika variiert die Permittivität mit dem Material und modifiziert die Konstante k; das Gesetz bleibt gültig, muss aber die relative Permittivität εᵣ jeder Region berücksichtigen. Die Ladungsverteilung auf unregelmäßigen Leitern erfordert die Superposition von Kräften aus infinitesimalen Ladungselementen, was das einfache Gesetz in ein Feldintegral-Problem umwandelt.
Die inverse quadratische Beziehung gilt nur bei Abständen im atomaren Maßstab oder in der Quantenelektrodynamik nicht mehr. Für standard Industriearbeit ist das Coulombsche Gesetz ab Millimetergröße zuverlässig. Die Abschirmwirksamkeit elektromagnetischer Schirme, der Entwurf von Erdungssystemen und der Schutz vor elektrostatischen Entladungen hängen alle vom Verständnis dieses Kraftgesetzes ab. Das Theorem, dass jede kugelsymmetrische Ladungsverteilung eine Kraft ausübt, als wäre die gesamte Ladung im Mittelpunkt konzentriert (die Schalenschale-Theorem), folgt direkt aus dem Coulombschen Gesetz und vereinfacht viele Berechnungen beim Kabelentwurf und bei Schaltanlagen-Layouts.