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Die Anwesenheit einer Ladung versetzt den Raum um sie in einen besonderen Zustand, den wir elektrisches Feld nennen. Wir erkennen das, weil zwischen den Ladungen Kräfte übertragen werden. Verschieben wir ein elektrisch geladenes Testkörperchen in diesem Raum, können wir mit der dabei jeweils verrichteten Arbeit, das Feld beschreiben. Die Einführung des Feldbegriffs hat den Vorteil, dass wir uns nicht um diese Ladung als Quelle des Feldes kümmern müssen. |
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Elektrische Ladungen erzeugen um sich herum ein elektrisches Feld. Dieses ist eine Eigenschaft des (leeren) Raumes und bedarf keines Überträgers. |
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Das elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf die Ladung ausgeübt werden. |
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Elektrische Kräfte wirken wie Gravitationskräfte durch den leeren Raum hindurch. |
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Michael Faraday wurde durch einen Versuch, bei dem er in Öl schwimmende Grießkörner einer Ladung aussetzte, wobei sich die Grießkörner zu langen Ketten formierten, zur Idee des elektrischen Feldes, welches durch Feldlinien beschrieben wird, angeregt. |
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· Ein elektrisches Feld wird durch Feldlinien (Kraftlinien) dargestellt. |
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· Die elektrischen Feldlinien sind Linien, längs denen sich eine positive Probeladung im elektrischen Feld bewegen würde. |
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· In jedem Punkt dieser Feldlinien geben diese die Richtung und die Größe der auf eine Probeladung wirkenden Kraft an. |
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Das Bild rechts zeigt ein typisches Feldlinienbild verursacht von einer positiven und einer negativen Ladung. |
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Das elektrische Feld ist ein Hilfsmittel, um unsere Vorstellung der physikalischen Zusammenhänge zu unterstützen. |
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Wichtig: Den Feldlinien selbst kommt kein physikalische Realität zu. Sie beschreiben jedoch eine physikalische Realität ähnlich wie das die Höhenlinien auf einer Landkarte tun. |
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Befindet sich innerhalb eines elektrischen Feldes eine elektrische Ladung (z. B. Elektron), so wirkt auf diese Ladung eine Coulomb-Kraft. Mit Hilfe dieser Ladung (Probeladung) kann die Anwesenheit oder auch die Abwesenheit eines elektrischen Feldes festgestellt werden. Der Zustand des Raumes wird dadurch charakterisiert, dass an jeder Stelle des Raumes auf eine dorthin gebrachte Probeladung eine Kraft bestimmter Größe und Richtung ausgeübt wird. |
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Wird eine Kraft auf eine Ladung beobachtet, befindet sich die Ladung in einem elektrischen Feld |
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Der Raum als Träger dieses elektrischen Zustandes wird als elektrostatisches Feld bezeichnet, weil dieser Zustand durch eine ruhende Ladung hervorgerufen wird. |
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James Clerk Maxwell gab Faradays Ideen die heute noch immer gültige mathematische Form. |
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Damit wir das elektrische Feld berechnen können ergibt sich für uns die Aufgabe, wie wir zu einer Definition der elektrischen Feldstärke gelangen, ohne dass wir die das Feld verursachende(n) Ladung(en) kennen. |
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Die elektrische Feldstärke ist eine Möglichkeit das elektrische Feld der Ladung Q zu beschreiben. In einem Punkt P wirkt auf eine Probeladung QP die Kraft F. Wird die Größe der Ladung QP verdoppelt, so verdoppelt sich auch die Kraft F. Daraus ist zu erkennen: |
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An einen festen Ort des elektrischen Feldes ist der Quotient aus der elektrischen Kraft F auf einen geladenen Körper mit der Ladung QP konstant. |
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Die elektrische Feldstärke E ist das Verhältnis der Kraft F auf die Ladung QP. |
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E |
Elektrische Feldstärke |
[N/C] [V/m] |
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F |
Betrag der Kraft auf QP |
[N] |
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QP |
Probeladung im elektrischen Feld |
[C] |
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Die elektrische Feldstärke E ist ein Vektor. Jedem Raumpunkt kann ein Feldstärkevektor zugeordnet werden. Das elektrische Feld ist die Gesamtheit der Feldstärkevektoren in einem Raumbereich. Die Richtung der Feldstärke ist durch die Richtung der Kraft F auf eine positive Probeladung QP festgelegt. |
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Die Richtung der Feldlinie gibt die Richtung der Feldstärke an. Elektrische Felder sind Quellenfelder. Die Feldlinien gehen von positiven Ladungen aus (Quelle) und enden bei negativen Ladungen (Senke). Die Dichte der Feldlinien ist proportional zum Betrag der Feldstärke. Feldlinien schneiden einander nie. Feldlinien treten immer senkrecht aus der Oberfläche eines geladenen Körpers aus. |
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Die Einheit der elektrischen Feldstärke
E ergibt
sich aus obiger Definition als Quotient aus der Krafteinheit (N) und der
Ladungseinheit Coulomb (C) zu
1N ∕ 1C. |
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Das Gesetz über Einheiten im Messwesen definiert die
Einheit der elektrischen Feldstärke folgendermaßen: |
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Im allgemeinen ist die Feldstärke eine
Funktion des Ortes. Die elektrische Feldstärke im Radialfeld um eine
geladene Kugel nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Kugel ab.
Homogen nennt man ein Feld, in dem unabhängig vom Ort die Feldstärke
nach Größe und Richtung konstant ist. |
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