3.3 Das elektrische Feld

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1 3.3 Das elektrische Feld Im vorangegangen Kapitel wurde gezeigt, dass sich gleichnamige Ladungen gegenseitig abstoßen und ungleichnamige Ladungen gegenseitig anziehen. Die Abstoßung bzw. Anziehung von elektrischen Ladungen erfolgt, wie man am Beispiel der Influenz sieht, ohne gegenseitige Berührung der Ladungsträger. Als Ursache für die gegenseitige Wechselwirkung von Ladungen wurden im 19. Jahrhungert elektrische Felder erkannt die sich im Raum um elektrische Ladungen befinden. Im Folgenden werden nun zwei Experimente zum Nachweis von elektrischen Feldern vorgestellt, sowie die grundlegenden Eigenschaften von elektrischen Feldern untersucht: Mit einem Bandgenerator werden zwei Konduktorkugeln entgegengesetzt aufgeladen. Berührt man mit einem Watteflöckchen eine der beiden Kugeln, so wird es elektrisch aufgeladen und fliegt dann aufgrund der Anziehung bzw. Abstoßung von elektrischen Ladungen zwischen beiden Kugeln auf gekrümmten Bahnen hin und her. Man spricht von einem elektrischen Feld in dem sich die Watte befindet. In diesem Feld wirken auf das Watteflöckchen Kräfte, die die Bewegung verursachen. Merksatz: Elektrisch geladene Körper sind umgeben von elektrischen Feldern. Auf geladene Körper wirken im elektrischen Feld Kräfte, die je nach Ladung eine Anziehung bzw. eine Abstoßung bewirken Elektrische Feldlinien Elektrische Felder, die sich im Raum um elektrische Ladungen befinden, können mit einem einfachen Experiment sichtbar gemacht werden. Hierzu werden zwei runde Metallstücke in eine Schale mit Rizinusöl eingetaucht. Die Metallstücke werden an den Plus und den Minuspol einer Hochspannungsquelle angeschlossen, so dass jeweils ein Metallstück positiv und ein Metallstück negativ geladen ist. Schüttet man nun kleine Grieskörnchen in das Rizinusöl, so ist zu beobachten, dass sich die Grieskörnchen entlang von Linien anordnen. Diese Linien bezeichnet man als elektrische Feldlinien.

2 Definition: Unter dem elektrischen Feld versteht man den von elektrischen Feldlinien durchsetzten Raum um eine felderzeugende Ladung. Hierbei ist anzumerken, dass der Raum um eine Ladung nicht wirklich von irgendeiner Art materieller oder energetischer Linie durchzogen ist. Das Feldlinienmodell ist lediglich ein von Menschen entwickeltes Modell um die Eigenschaft des Raums in der Nähe einer elektrischen Ladung zu beschreiben. Eine elektrische Feldlinie ist so orientiert, dass sie die Richtung angibt, in der sich eine Probeladung, wie zum Beispiel ein geladenes Watteflöckchen bewegen würde. Die Feldlinien geben also die Richtung der Kraft an die auf die Probeladung wirkt. Die Form der elektrischen Feldlinien hängt dabei von Größe und Form der Körper ab die elektrisch geladen sind. Die folgenden Abbildungen zeigen die elektrischen Feldlinien von verschiedenen elektrisch geladenen Körpern. Dabei ist anzumerken, dass elektrische Felder stets dreidimensional sind. Die Zeichnung zeigen deshalb nur einen zweidimensionalen Ausschnitt der elektrischen Felder: 1.Elektrisches Feld einer Punktladung Das elektrische Feld einer Punktladung bezeichnet man als radialsymmetrisches Feld. Die Feldlinien im Raum um eine Punktladung verlaufen in alle Richtungen radial nach außen. Die Richtung der Feldlinien wurde so definiert, dass diese immer von positiven Ladungen weg- (linke Abbildung) und zu negativen Ladungen hinzeigen (rechte Abbildung).

3 2.Elektrisches Feld zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Kugeln Das elektrische Feld zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Kugeln ist eine Überlagerung der Feldlinien zweier Punktladungen. Die Feldlinien verlaufen dabei von der positiv geladenen Kugel zur negativ geladenen Kugel. 3. Elektrisches Feld zwischen zwei geladenen Metallplatten Das Feldlinienbild zwischen zwei geladenen Metallplatten bezeichnet man als homogenes elektrisches Feld. Die Feldlinien verlaufen hier parallel zwischen den Metallplatten von der positiven zur negativen Metallplatte. Zusammenfassung: Elektrische Feldlinien Elektrische Feldlinien geben die Richtung der elektrischen Kraft an, die auf eine Probeladung im elektrischen Feld wirkt. Elektrische Feldlinien beginnen per Definition an positiven und enden an negativen Ladungsträgern. Im Feldlinienbild gibt es keine Schnittpunkte, d.h. Feldlinien schneiden sich niemals. Werden Feldlinien dichter gezeichnet, so veranschaulicht dies den größeren Betrag der Kraft auf einen geladenen Körper (siehe radialsymmetrisches Feld)

4 3.3.2 Die elektrischen Feldgesetze Fährt man mit einem Auto durch ein Gewitter, so ist man im Innern des Autos vor einem Blitzeinschlag relativ gut geschützt. Die Metallkarosserie des Autos wirkt wie ein sog. Faradayscher Käfig, der die Fahrzeuginsassen vor den hohen elektrischen Strömen und starken elektrischen Feldern bei einem Blitzeinschlag schützt. Diese Sicherheit beruht auf zwei grundlegenden Eigenschaften von elektrischen Feldern im Raum um Metallkörpern. Diese Eigenschaften werden mit Hilfe von zwei sog. Feldgesetzen beschrieben. 1. Feldgesetz: In elektrostatischen Feldern stehen die Feldlinien immer senkrecht auf allen Leiteroberflächen. Wäre dies nicht der Fall (linke Abbildung), so könnte man die anziehende Kraft, die auf ein Elektron im Leiter wirkt, in eine Kraftkomponente senkrecht und eine Kraftkomponente parallel zur Leiteroberfläche aufteilen (Kräfteparallelogramm). Die senkrechte Komponente hätte keine Wirkung auf das Elektron, da dieses den Leiter nicht ohne weiteres verlassen kann. Im Gegensatz dazu würde die parallele Komponente für eine Verschiebung des im Leiter frei beweglichen Elektrons führen. Das Elektron wird solange verschoben bis die parallele Kraftkomponente gleich Null ist und die Gesamtkraft gerade gleich der senkrechten Kraftkomponente ist. Die elektrische Feldlinie steht dann senkrecht auf der Leiteroberfläche. 2. Feldgesetz: Jeder metallisch umschlossene Raum ist im Innern feldfrei, wenn er keine Ladung enthält. Die Ladungen befinden sich an der äußeren Oberfläche (Faradayscher Käfig).

5 Wären auf einer Metallkugel zwei ungleichnamige Ladungen derart positioniert, dass sie im Inneren der Kugel ein elektrisches Feld erzeugen würden, so würde dieses solange für eine Verschiebung der Ladungsträger sorgen, bis das Innere der Kugel wieder feldfrei ist. Im Inneren eines Autos, das von einer Metallkarosserie umgeben ist kann es somit keine elektrischen Felder geben. Die bei einem Blitzeinschlag auf das Auto übertragenen Ladungen werden somit nicht auf die Fahrzeuginsassen übertragen, solange diese nicht in direktem Kontakt mit der Karosserie stehen.