Coulombsches Gesetz: Das Feld um eine Punktladung
1 · Vorhersagen
Eine einzelne Punktladung sitzt allein im Weltraum. Wie stark sinkt die elektrische Feldstärke, wenn man einen Prüfpunkt doppelt so weit wegbewegt?
- Das Feld fällt auf 1/4 – es nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab.
- Das Feld fällt auf 1/2 – es fällt linear mit der Entfernung ab.
- Das Feld bleibt unabhängig von der Entfernung gleich.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie das Preset „Einzelladung“ und drücken Sie Zurücksetzen. Die Quellladung ist fest auf q = 5 nC eingestellt.
- Aktivieren Sie die Feldstärkeanzeige an einem Testpunkt.
- Stellen Sie für jeden Versuch den Abstand des Testpunkts zur Ladung ein und zeichnen Sie die Feldstärke auf.
3 · Daten sammeln
| Abstand r (m) | Potenzial V (V) | Feldstärke E (N/C) |
|---|---|---|
| 1.00 | ||
| 2.00 | ||
| 3.00 |
Tragen Sie die Feldstärke E (y-Achse) gegen 1/r² (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf. Geht die Linie gerade durch den Ursprung?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch E = kq/r² mit k = 8.99×10⁹ N·m²/C², q = 5 nC. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Erklären Sie anhand des Umkehrquadratgesetzes, warum eine Verdoppelung des Abstands die Feldstärke viertelt statt halbiert.
5 · Vertiefen
- Ihre Spalte für das Potenzial (V = kq/r) fällt sanfter ab als das Feld (1/r statt 1/r²). Erklären Sie, warum Potenzial und Feld eine unterschiedliche Abstandsabhängigkeit haben, obwohl beide von derselben Quellladung stammen.
- Das Coulombsche Gesetz E = kq/r² hat genau die gleiche mathematische Form wie Newtons Gravitationsfeld g = GM/r². Warum könnten zwei völlig unterschiedliche Kräfte (elektrische und Gravitationskraft) diese umgekehrt quadratische Struktur teilen?
Die Physik hinter diesem Experiment
Coulombsches Gesetz
Eine Punktladung erzeugt ein radiales elektrisches Feld, das mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt: E = kq/r², wobei k = 1/(4πε₀) ≈ 8.99×10⁹ N·m²/C². Die Kraft auf eine Testladung beträgt F = qE.