Das elektrische Feld Kapitel 23 Coulomb gleiche Ladungen stoßen sich ab ungleiche Ladungen ziehen sich an (von Michael Walter, Ein Höhenflug der Physik, Physik Journal 06 / 2012 Seite: 53) Charles Coulomb (1785) beobachtet dass ein elektrisch geladener metallischer Leiter mit der Zeit die Ladung verlor, auch wenn er nur von Luft umgeben war und gut isoliert war. Luft wurde allgemein als guter Isolator betrachtet. Wie konnte das passieren? Ist die Luft ionisiert? normalerweise nicht Wie kann mann die Luft ionisieren? Julius Elster und Hans Geitel, zwei Lehrer, beobachteten dass die Leitfähigkeit der Luft wird durch die ionisierende Strahlung hervorgerufen, die von radioaktiven Substanzen aus der Umgebung stammen. (Zwischen 1904 und 1911 wurden sie sieben Mal für den Nobelpreis nominiert. Den Ruf an eine Universität haben sie abgelehnt, um als Gymnasiallehrer mit Privatlabor unabhängig zu bleiben) Im Jahr 1912 stieg der österreichische Physiker Victor Franz Hess siebenmal mit einem Ballon auf, um die Ionisierung der Atmosphäre zu messen. Bei der letzten Fahrt erreichte er eine Höhe von über fünf Kilometern. Das Elektrometer an Bord zeigte in dieser Höhe einen unerwartet starken Anstieg der Ionisation. Dies, so war sich Hess sicher, konnte nur durch eine extraterrestrische Strahlung hervorgerufen worden sein. Kosmische Strahlung! (milli Volt) 1
Das elektrische Feld: Ein geladener Körper beeinflusst einen anderen auch ohne direkten Kontakt. Er zieht ihn zum Beispiel an oder stößt ihn ab. Daraus können wir schließen, dass bestimme Kräfte auch durch den Raum wirken. M. Faraday versuchte als erster diese Wirkungen über Felder zu erklären und benannte diesen Raum 1835 mit elektrischem Feld. Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld weil in jedem Punkt des Raums um einen geladenen Körper ist ein Vektor zugeordnet. E = F / q (Vektor!) Die Richtung von E ist di Richtung der Kraft F auf eine positive Probeladung. Das Feld ist unabhängig von der Probeladung und ist eine Repräsentation von was passiert in der nähe von Q. Die SI-Einheit des elektrischen Felds ist Newton / Coulomb (see Tab. 23-1). (Beispiel mit Phon?) Beispiel +3-1 Ladungen (4) Das Feld der Punktladung ist kugelsymmetrisch Wie ist das Feld in (1) und in (4) (nur Richtung)? Es wird ein Punkt wo E = 0! Wo? Ubung? 2
Das resultierende elektrische Feld mehrerer Punktladungen? (5) Bringen wir eine positive Probeladung q_0 in die Nähe von n Punktladungen Q1..Qn so ergibt sich die resultierende Kraft auf die Probeladung durch das Superpositionsprinzip F_tot = F_1 +..+ F_n (Vektor!) Das Feld ist E_tot = F_tot / q_0 (Vektor!) E_tot = E_1 +.. + E_n (Vektor!) Es ist nicht unbedingt intuitive dass das Superpositionsprinzip funktioniert aber es wurde getestet in mehrere Experimenten und funktioniert immer! Wenn das Feld von eine elektrische Ladung festgelegt ist, die Kraft ist bekannt in jede Punkt! F = q x E (Vektor!!) q = Probetadung es ist nicht wichtig ob q ist positiv oder negative. Das ist der Sinn von Feld! 3
Elektrische Feldlinien zurück zum Beispiel +3-1 Ladungen (4) bilden wir die Feldlinien: sind eine bessere Representation von Feld Die Lage und und Intensität des Feldes, also die Größe und Richtung der auftretenden Kräfte, wird mit Feldlinien beschrieben. --> Grießkörnerversuch http://www.youtube.com/watch?v=7vnml853784 Wichtige Konventionen: (1) In jedem Punkt des Raums ist die Richtung des Felds E tangent an die durch verlaufende Feldlinie (6) (2) die Dichte von Feldlinie ist proportional zu dem Betrag von E (3) Das elektrische Feld E ist in jede Punkt eindeutig bestimmt. Das bedeutet dass die Feldlinie werden sich niemals schneiden. Sie beginnen und sie enden auf Ladungen oder bis unendlich Feldlinie sind *nicht* Bewegungsbahnen http://elektromagnetisme.no/tag/field-lines/ Simulator von Feldlinie! http://dragly.org/projects/htmlfieldlines/ 4
Das Feld eines elektrische Dipols (8) Wir betrachten zwei entgegengesetzt geladene Teilchen, deren Ladungen den gleichen Betrag haben q. Wie wird das von ihnen erzeugte elektrische Feld? Verlauf des Absolutbetrags der elektrischen Feldstärke 23-5 Edipol 1/r 3 (Verhalten einer Punktladung in einem elektrischen Feld) Verhalten eines Dipols in einem elektrischen Feld Nehmen wir ein Dipol in einem homogenen elektrischen Feld E. Das Verhalten des Dipols wird durch die Vektoren E und p beschrieben (ohne Einzelheiten über die innere Struktur des Dipols). Beispiel: das Wassermolekül = elektrische Dipol. Es wirkt im elektrischen Feld ein Drehmoment auf einen Dipol. (In einem inhomogenen Feld ergibt sich neben einem Drehmoment, das auf den Dipol wirkt, noch eine resultierende Kraft für eine Translationsbewegung. ) 5
Bestimmung der Elementarladung (Millikan) 6