Chemische Definitionen Was sind elektrostatische Kräfte?

Es gibt verschiedene Arten von Kräften, die sich auf die Wissenschaft beziehen. Die Physiker beschäftigen sich mit den vier fundamentalen Kräften: Gravitationskraft, schwache Kernkraft, starke Kernkraft und elektromagnetische Kraft. Die elektrostatische Kraft ist mit der elektromagnetischen Kraft verbunden.

Definition elektrostatischer Kräfte 

Elektrostatische Kräfte sind Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen Partikeln, die durch ihre elektrischen Ladungen verursacht werden. Diese Kraft wird auch Coulomb-Kraft oder Coulomb-Wechselwirkung genannt und ist nach dem französischen Physiker Charles-Augustin de Coulomb benannt, der die Kraft 1795 beschrieb.

Wie die elektrostatische Kraft funktioniert

Die elektrostatische Kraft wirkt über einen Abstand von etwa einem Zehntel des Durchmessers eines Atomkerns oder 10^-16 m. Ähnliche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, während sich andere Ladungen gegenseitig anziehen. Beispielsweise stoßen sich zwei positiv geladene Protonen ab, ebenso zwei Kationen, zwei negativ geladene Elektronen oder zwei Anionen. Protonen und Elektronen werden voneinander angezogen, ebenso Kationen und Anionen.

Warum Protonen nicht an Elektronen haften bleiben

Während Protonen und Elektronen von elektrostatischen Kräften angezogen werden, verlassen Protonen den Kern nicht, um sich mit Elektronen zu vereinigen, da sie durch die starke Kernkraft aneinander und an Neutronen gebunden sind. Die starke Kernkraft ist viel stärker als die elektromagnetische Kraft, wirkt jedoch über eine viel kürzere Distanz.

In gewisser Weise berühren sich Protonen und Elektronen in einem Atom, weil Elektronen Eigenschaften sowohl von Partikeln als auch von Wellen haben. Die Wellenlänge eines Elektrons ist von der Größe her vergleichbar mit der eines Atoms. Daher können Elektronen nicht näher kommen als sie es bereits sind.

Berechnung der elektrostatischen Kraft nach dem Coulombschen Gesetz

Die Stärke oder Kraft der Anziehung oder Abstoßung zwischen zwei geladenen Körpern kann nach dem Coulombschen Gesetz berechnet werden:

F = kq₁q₂/ r²

Hier ist F die Kraft, k ist der Proportionalitätsfaktor, q₁ und q₂ sind die zwei elektrischen Ladungen und r ist der Abstand zwischen den Mitten der zwei Ladungen. Im Zentimeter-Gramm-Sekunden-Einheitensystem wird k im Vakuum auf 1 gesetzt. Im Meter-Kilogramm-Sekunden-Einheitensystem (SI-Einheitensystem) beträgt k im Vakuum 8,98 × 109 Newton-Quadratmeter pro Quadratcoulomb. Während Protonen und Ionen messbare Größen haben, werden sie nach dem Coulombschen Gesetz als Punktladungen behandelt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen direkt proportional zur Größe jeder Ladung und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen ist.

Überprüfung des Coulombschen Gesetzes

Sie können ein sehr einfaches Experiment erstellen, um das Coulombsche Gesetz zu überprüfen. Hängen Sie zwei kleine Kugeln mit der gleichen Masse auf und laden Sie sie an einer vernachlässigbaren Masse auf. Auf die Bälle wirken drei Kräfte: das Gewicht (mg), die Spannung auf der Saite (T) und die elektrische Kraft (F). Da die Kugeln die gleiche Ladung tragen, stoßen sie sich gegenseitig ab. Im Gleichgewicht:

T sin θ = F und T cos θ = mg

Wenn das Coulombsche Gesetz richtig ist:

F = mg tan θ

Die Bedeutung des Coulombschen Gesetzes

Das Coulomb-Gesetz ist in der Chemie und Physik äußerst wichtig, da es die Kraft zwischen Teilen eines Atoms und zwischen Atomen, Ionen, Molekülen und Teilen von Molekülen beschreibt. Wenn der Abstand zwischen geladenen Teilchen oder Ionen zunimmt, nimmt die Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen ihnen ab und die Bildung einer Ionenbindung wird ungünstiger. Wenn sich geladene Teilchen einander nähern, steigt die Energie und die Ionenbindung ist günstiger.

Wichtige Erkenntnisse: Elektrostatische Kraft

• Die elektrostatische Kraft wird auch als Coulomb-Kraft oder Coulomb-Wechselwirkung bezeichnet.
• Es ist die anziehende oder abstoßende Kraft zwischen zwei elektrisch geladenen Objekten.
• Ähnliche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, während sich andere Ladungen gegenseitig anziehen.
• Das Coulombsche Gesetz wird verwendet, um die Stärke der Kraft zwischen zwei Ladungen zu berechnen.

Quellen

• Coulomb, Charles Augustin (1788) [1785]. "Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme." Geschichte der Akademie der Wissenschaften. Imprimerie Royale. S. 569-577.
• Coulomb, Charles Augustin (1788) [1785]. "Second mémoire sur l'électricité et le magnétisme." Geschichte der Akademie der Wissenschaften. Imprimerie Royale. S. 578-611.
• Stewart, Joseph (2001). "Intermediate Electromagnetic Theory." World Scientific. p. 50. ISBN 978-981-02-4471-2
• Tipler, Paul A .; Mosca, Gene (2008). "Physik für Wissenschaftler und Ingenieure." (6. Aufl.) New York: W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-8964-2.
• Young, Hugh D .; Freedman, Roger A. (2010). "Sears und Zemanskys Universitätsphysik: Mit moderner Physik." (13. Aufl.) Addison-Wesley (Pearson). ISBN 978-0-321-69686-1.