Elektrische Feldstärke


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Einführung

Strom ist aus dem heutigen Leben nicht mehr weg zu denken, er ist eines der wichtigsten Energiequellen. Das besondere an Strom als Energieträger ist seine Transportierbarkeit.
In diesem Kapitell werden wir uns mit dem elektrischen Feld befassen, wir werden darauf eingehen wie elektrische Kräfte und elektrische Felder zusammenhängen und wie man die elektrischen Felder im Raum berechnet.

Bevor wir uns dem Thema widmen, könnte es nützlich sein die folgenden Themen zu wiederholen:



Elektrische Felder

Um jeden geladenen Körper liegt ein elektrisches Feld vor, das elektrische Feld wird grafisch durch Feldlinien veranschaulicht. Zwischen zwei geladenen Körper wirken die elektrischen Kräfte entlang dieser Feldlinien.

  • Die Feldlinien verlaufen stets von Plus nach Minus.

  • Feldlinien stehen immer senkrecht zu Leiteroberflächen.

  • Je dichter die Feldlinien beieinander liegen, desto größer ist die elektrische Feldstärke.

  • Feldlinien schneiden sich nicht.


Elektrische Feldstärke

Die elektrische Feldstärke \(E\) ist die physikalische Größe mit der man die Eigenschaften eines elektrischen Feldes beschreibt. Sie gibt die Stärke und Richtung des Feldes an.

Die Einheit der elektrische Feldstärke ist Newton pro Coulomb \([\frac{N}{C}]\)



Mit der elektrische Feldstärke \(E\) kann die Kraft \(F\), die das Feld auf eine Ladung \(q\) ausübt berechnet werden.

Kraft auf eine Probeladung im Feld \(E\)

\(F=E\cdot q\)

Dabei ist \(E\) die elektrische Feldstärke und \(q\) die Ladung.



Homogenes Feld

In der unteren Abbildung sieht man die Feldlinien zwischen einer positiven und einer negativen Metallplatte (Kondensator).
Eine wensentliche Unterscheidung zwischen elektrischen Feldern ist die Unterscheindung zwischen einem homogenen Feld und einem inhomogenen Feld. Bei einem homogenen Feld verlaufen alle Feldlinien parallel zu einander und sie besitzen jeweils den gleichen abstand zu einander. Das Feld hat an allen Seiten stets die gleiche Stärke. Ein Beispiel für ein homogenes Feld ist das elektrische Feld dass, sich zwischen einem Kondensator bildet.


Das elektrische Feld in einem Kondensator ist homogen und berechnet sich wie folgt:

\(E=\)\(\frac{U}{d}\)

Dabei ist:

  • \(E\) das elektrische Feld

  • \(U\) die Spannung am Kondensatorr

  • \(d\) der Abstand der Platten



Inhomogenes Feld

Die nächsten zwei Bilder zeigen das elektrische Feld einer positiven und einer negativen Punktladung.



Bei einem inhomogenen Feld variiert die Richtung und die Dichte der Feldlinien von Ort zu Ort, dadurch ist das Feld an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark. Das elektrische Feld einer Punktladung ist ein Beispiel für ein inhomogenes Feld.

Elektrisches Feld einer Punktladung

\(E=\)\(\frac{1}{4\pi\cdot \epsilon_0}\cdot \frac{Q}{r^2}\)

Dabei ist:

  • \(r\) der Abstand zwischen den Ladungen

  • \(\epsilon_{0}=8,8542\cdot 10^{-12}\frac{As}{Vm}\) die elektrische Feldkonstante

  • \(\pi\) die Kreiszahl \(\pi=3,14159...\)



Die Kraft zwischen zwei Punkladungen berechnet sich über das Coulombsche Gesetz

Coulombsches Gesetz

  • Gleiche Ladungen stoßen sich ab.

  • Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an.

  • Die Kraft \(F_{12}\) zwischen der Ladung \(Q_1\) und der Ladung \(Q_2\) berechnet sich über folgende Formel:

    \(F_{12}=\)\(\frac{1}{4\cdot\pi\cdot\epsilon_{0}}\cdot \frac{Q_1\cdot Q_2}{r^2}\)\(=E_{Q_1}\cdot Q_2\)

    Dabei ist:

    • \(r\) der Abstand zwischen den Ladungen

    • \(\epsilon_{0}=8,8542\cdot 10^{-12}\frac{As}{Vm}\) die elektrische Feldkonstante

    • \(\pi\) die Kreiszahl \(\pi=3,14159...\)



Zwei gleiche Ladungen (\(Q_1=Q_2\)) stoßen sich ab während sich zwei entgegengesetzten Ladung (\(Q_1=-Q_2\)) anziehen.



Mit den oben genannten Eigenschaften der Feldlinien kann man den Verlauf eines elektrischen Feldes um einen geladenen Körper sehr gut konstruieren.