Ladungen und Felder: elektrisches Feld und elektrische Feldstärke

Laura Ramsbrock
28.02.13
Ladungen und Felder: elektrisches Feld und elektrische Feldstärke
Das elektrische Feld:
 Definition nach Michael Faraday:
 Raumbereich, in dem auf elektrische Ladung eine Kraft ausgeübt wird
 Elektrische Kräfte: Wirkung eines Zustandes des Raumes auf elektrisch geladene Körper (Nahwirkung)
 Nur an seiner Wirkung erkennbar:
 Auf einen geladenen Körper wird eine Kraft ausgeübt
 Influenz
 Elektrische Polarisation
 Stromfluss
 Besteht auch im materiefreien Raum
 Lässt sich abschirmen (Faradaykäfig)
Elektrische Ladungen:
 Neutral geladene Körper: gleich viel positive und negative Ladung
 Positiv geladener Körper: weniger Elektronen als Protonen -> Elektronenmangel
 Negativ geladene Körper: mehr Elektronen als Protonen -> Elektronenüberschuss
 Zwischen gleichnamigen Ladungen: abstoßende Kräfte
 Zwischen ungleichnamigen Ladungen: anziehende Kräfte
 Ladung kann von einem Körper auf einen anderen übertragen werden
Influenz:
 Räumliche innere Ladungsverschiebung in einem leitenden Körper unter dem Einfluss der von einem elektrischen Feld
auf die frei beweglichen Ladungen (Elektronen) ausgeübten elektrischen Kräfte
 Elektrische Leiter: Körper, auf denen elektrische Ladung (Elektronen) frei beweglich ist
Elektrische Polarisation:
 Da auf Isolatoren Ladungen nicht frei verschiebbar sind, richten sich die im neutralen Atom oder Molekül aneinander
gebundenen Ladungen unter Einfluss der äußeren elektrischen Kraft lediglich aus -> Entstehung elektrischer Dipole, die
an den Außenflächen das Körpers (wie beim Leiter durch Influenz) Ladungen an der Oberfläche hervorrufen
 Führt dazu, dass neutrale Körper von elektrisch geladenen Körpern angezogen werden
 Isolator: Körper, auf denen elektrische Ladungen nicht frei beweglich sind
Die Größe elektrische Ladung:
 Gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel eines Körpers ist
 Formelzeichen: Q
 Ist ein vielfaches der Elementarladung e: e=1,602*10^-19 C
 Kann berechnet werden mit der Gleichung: Q=n*e
 Einheit der elektrischen Ladung:
[Q]= 1As = 1C
Messen elektrischer Ladung:
 Da elektrischer Strom bewegte elektrische Ladung ist, kann über die Messung der Stromstärke die geflossene Ladung
bestimmt werden
 Bei einem konstanten elektrischen Strom der Stärke I fließt während der Zeit ∆t die elektrische Ladung: ∆Q=I*∆t
 Für zeitlich veränderliche Stromstärken I gilt: I=dQ/dt=Q`
 Die Ladung ∆Q kann im t-I-Diagramm als Fläche unter der Stromstärkekurve dargestellt werden. Ist die Stromstärke I
konstant, so stellt sich der Rechteckinhalt I*∆t die Ladung ∆Q da, die in der Zeit ∆t geflossen ist: Q=∫ I(t) dt
Die elektrische Feldstärke:
 Untersuchung der elektrischen Felder mit Hilfe einer sogenannten Probeladung
 Probeladungen reagieren sehr empfindlich auf elektrische Felder, verändern sie aber wegen ihrer geringen
Größe und Ladung nicht. Größer Ladungen können durch Influenz andere Ladungen verschieben und damit das
zu untersuchende Feld verändern.
 Die elektrische Feldstärke E in einem Punkt gibt an, wie groß die Kraft auf eine positive Probeladung in diesem Punkt
ist: E=F/q
Laura Ramsbrock
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28.02.13
Die Kraft F wird auch als Feldkraft bezeichnet. Die elektrische Feldstärke ist eine vektorielle Größe, deren
Richtung mit der Kraftrichtung auf einen positiv geladenen Körper im Feld übereinstimmt. Trägt der Körper
eine negative Ladung, so sind Kraftrichtung und Feldrichtung entgegengesetzt

Einheit: 1 N/C
Elektrische Felder:
Homogenes Feld:
 Die elektrische Feldstärke ist an allen Stellen gleich groß
 Beispiel Plattenkondensator: Die elektrische Feldstärke hängt nur vom Abstand der Platten und der Spannung ab
E=U/d
 . Die Flächenladungsdichte σ gibt die Konzentration der Ladung an: σ=Q/A = ε0*E
 ε0=8,8542*10^-2 C/(Vm) [elektrische Feldkonstante]
 Einheit: [σ]= 1 C/m²
Radialsymmetrisches Feld:
 Elektrisches Feld um eine geladene Kugel
 Das Feld ist von Ort zu Ort unterschiedlich stark
 Allerdings ist die Feldstärke E für alle Punkte im Abstand r vom Mittelpunkt der Kugel, die die Ladung Q trägt,
gleich groß
 Die Kraft, die auf einen Probekörper wirkt, ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß
 Flächenladungsdichte: σ= Q/A = Q/(4п*r²)
 Elektrische Feldstärke: E= 1/ε0 *Q /(4п*r²)
Das Coulomb´sche Gesetz:
 Der Betrag der Kraft zwischen zwei geladenen Körpern hängt von der Größe der Ladung und vom Abstand der Körper
voneinander ab:
F= 1/(4п*ε0*εr)* Q1*Q2/r²
Darstellung elektrischer Felder:
 Elektrische Feldlinien:
 Beginnen auf positiven Ladungen und enden auf negativen Ladungen
 Ladungen können sich auch im Unendlichen befinden
 Je dichter sie sind, desto höher ist der Betrag der elektrischen Feldstärke
 Nach außen hin nehmen die Feldlinien ab (radialsymmetrisches Feld) / nicht ab (homogenes Feld
[paralleler Verlauf])
 Schneiden sich nicht