15. Das elektrische Feld

15. Das elektrische Feld
Ein Feld ist ein Raum, in dem jedem
Punkt ein bestimmter Wert einer
physikalischen Größe zugeordnet wird.
15.1 Verschiedene el. Felder
Warum bewegen sich elektrische Ladungen?
Versuch:
Es wirkt eine Kraft zwischen
den Grießkörnern im
+
+
elektrischen Feld (= Raum
zwischen den Ladungen).
8 k V hier: homogenes Feld 
Fe ld lin ie n
Feldlinien sind parallel und
gleich dicht.
Richtung der Feldlinien: von +
nach -
F = Q*E Kraft auf eine Ladung Q im Feld mit der
Feldstärke E
Weitere Felder
Versuch:
-
+
Fe ld lin ie n
+
8 kV
Feldlinien liegen bei der
punktförmigen viel dichter
als bei plattenförmigen
Elektrode.
Weitere Felder
Versuch:
+
Ein radialsymmetrisches Feld
wird erzeugt.
Im In n e r e n fe l d fr e i
-
Radialsymmetrisches Feld
Coulombsches Gesetz
• Die Feldstärke steht
für die Dichte der
Feldlinien.
-
E·4r2π = const
 E ~1/(4r2 π),
andrerseits: E ~ Q
 E ~ Q/(4r2 π)
 F ~ Q1*Q/(4r2 π)
1 Q1  Q
F
 2
40 r
“Coulombsches Gesetz”
ε0 = 8,8541878·10-12As/Vm
Aufgabe
• Wie stark ziehen sich Elektron und Proton im
Wasserstoffatom an? (Abstand = 10-10 m)?
• (Beispiel auf S. 37 BW 7)
• Vergleiche mit der Gravitationsanziehung der
beiden!
Lösung zur Aufgabe
1 Q  Q'
F
 2
4 0
r
19 2
1
(1,6  10 )
8
F
 2,3  10 N
12 
10 2
4  8,854  10 0
(10 )
Vergleiche mit der Gravitationsanziehung
der beiden:
27
31
M  m'
1
,7

10

9
,
1

10
11
47
F  G

6
,673

10

10
N
2
10 2
r
(10 )
15.3 Die elektrische Influenz
---- ------ -
--------- - - -- -- -
-+++
++
+++++
+ +
+
+
+++
+++++
+++++
+ +
+
+
-- -
• Zwei Elektroskope stehen
nebeneinander. (neutral)
• Sie werden mit einem Aluminium-stab
mit Isolierstiel verbunden.
• Nähern eines geladenen Stabes ohne
Berührung.
• Die beiden Elektroskope zeigen einen
Ausschlag.
• Abheben des Al-Stabes, dann Entfernen
des geladenen Stabes.
• Wir erhalten zwei verschieden geladene
Körper.
• Ladungsausgleich. Die beiden Körper
sind wieder neutral
Elektrische Influenz
• In der Umgebung eines geladenen
Körpers wirken elektrische Kräfte. Ihren
Wirkungsbereich nennt man elektrisches
Feld.
Die Trennung elektrischer Ladungen durch
ein elektrisches Feld heißt elektrische
Influenz.
15.3.1 Anwendungen der el. Influenz
Van de GraafGenerator (1931)
• Durch den Kontakt des Endlosbandes aus
Gummi mit der Erregerwalze aus Plexiglas
wird diese positiv aufgeladen das
Endlosband negativ. Über die Schneide
gegenüber der Erregerwalze werden
Elektronen von der Konduktorhaube
abgesaugt und auf das Gummiband
gesprüht. Dadurch wird die
Konduktorhaube positiv aufgeladen. Das
Gummiband transportiert die Elektronen
nach unten, wo sie von einer weiteren
Schneide, die geerdet ist, abgesaugt
werden.
• Die Ladungen befinden sich auf der
Oberfläche der Konduktorhaube. Welche
Spannung erzielt werden kann, hängt von
der Größe (Radius) ab. Unserer ca. 25 kV.
• Anwendung als Gleichspannungsquelle mit
sehr hoher Spannung, aber geringer
Stromstärke. Besonders in der
Elementarteilchenforschung. Es gibt Van de
Graaf-Generatoren mit Kugeldurchmessern
von 5m. (MV-Bereich)
Elektrostatische Abgasreinigung
100 000 V
Isolator
gereinigtes
Gas
verunreinigtes
Gas
Staub
Ein dünner Draht in der
Mitte des Rohres (isoliert)
wird auf eine Spannung
von 100 000 V gebracht.
Vom Draht gehen
Elektronen aus und
lagern sich an den
Rußpartikeln ab. Diese
werden dadurch negativ
aufgeladen und von der
Wand angezogen. Dort
lagern sie sich ab.
Elektrostatische Aufladungen
Ist die relative Luftfeuchtigkeit über 60 bis 65%,
bildet sich auf jeder dieser Feuchtigkeit
ausgesetzten Oberfläche ein Wasserfilm. Da
nun aber Wasser elektrostatisch gesehen ein
guter Leiter ist, wird jede Überschussladung
sofort abgeleitet, ja es ist sogar schwierig, unter
diesen Bedingungen experimentell eine
statische Aufladung überhaupt zu erzeugen.
Dies ist auch der Grund, weshalb Unfälle durch
Elektrostatik meist im Winterhalbjahr und nur in
gemäßigten Zonen auftreten.
Aufladung des Menschen auf einem Teppich
1. Der menschliche Körper mitsamt Brandsohle. Diesen Teil darf man als Leiter
bezeichnen, da der Widerstand zwischen zwei beliebigen Stellen unterhalb 109 Ohm
liegt.
2. Die eigentliche (Geh-) Sohle als mehr oder weniger guter Isolator.
Durchgangswiderstand für Leder ca. 109 bis 1010 Ohm, für Gummisohlen ca. 1013
bis 1015 Ohm.
3. Der Teppich als mehr oder weniger guter Isolator. Je nach Typ ist mit den
verschiedensten Widerstandswerten zu rechnen.
4. Ein leitfähiger und geerdeter Boden, gegenüber dem die Potentiale gemessen
werden.
1
2
3
4
1. Der menschliche Körper
mitsamt Brandsohle. Diesen
Teil darf man als Leiter
bezeichnen, da der
Widerstand zwischen zwei
beliebigen Stellen unterhalb
109 Ohm liegt.
2. Die eigentliche (Geh-)
Sohle als mehr oder
weniger guter Isolator.
Durchgangswiderstand für
Leder ca. 109 bis 1010
Ohm, für Gummisohlen ca.
1013 bis 1015 Ohm.
3. Der Teppich als mehr oder
weniger guter Isolator. Je
nach Typ ist mit den
verschiedensten
Widerstandswerten zu
rechnen.
4. Ein leitfähiger und
geerdeter Boden,
gegenüber dem die
Potentiale gemessen
werden.