Elektrische Feldstärke ¨Ubersicht
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Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrische Feldstärke PhysikLV-Skript Elektrische Feldstärke Übersicht 1 Einführung 1 2 Elektrische Feldstärke 2.1 Elektrische Feldstärke einer Punktladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Thomas Lauber www.PhysikLV.net Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrische Feldstärke PhysikLV-Skript 1 Einführung Dunkle Wolken ziehen auf und bedecken den Himmel. Es scheint, als schlucken sie das gesamte Licht, das noch vorhanden ist. Plötzlich blitzt und leuchtet etwas. Ein riesiger Lichtstrahl zuckt durch den Himmel. Kurz darauf kracht und donnert es. Sicherlich hast du schon ein solches Gewitter erlebt und weißt auch, dass es bei einem Gewitter lebensgefährlich ist, sich draußen aufzuhalten. Die Wohnung ist hier die bessere Wahl. Denn in Gebäuden bist du gut vor Blitzen geschützt. Doch das war nicht immer so. Früher lebten viele Menschen in Holzhäusern und schlug ein Blitz ein, so konnte das Haus schnell Feuer fangen. Ein Blitz ist nämlich sehr heiß - heißer sogar als die Oberfläche der Sonne. Viele Menschen verloren so ihr Hab und Gut. Doch ein Mann vermochte es, dem Gewitter den Schrecken zu nehmen. Er war einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten und ein begnadeter Erfinder und Naturwissenschaftler: Benjamin Franklin. Benjamin Franklin wikipedia.org - Mason Chamberlin (public domain) Er erfand den Blitzableiter. Doch wie funktioniert nun so ein Blitzableiter? Wie ist es möglich, dass eine einfache Metallstange Blitze magisch anzieht“und so unsere Häuser schützt? Denn auch heute noch kann ein Blitzeinschlag erheb” liche Sachschäden verursachen, da bei einem Einschlag nahezu alle elektrischen Geräte zerstört werden. Die folgenden drei Eigenschaften eines Blitzableiter sorgen dafür, dass er Gebäude vor Blitzeinschlägen schützen kann: 1. Geringster elektrischer Widerstand 2. Der Spitzeneffekt 3. Abstand zur Quelle des Blitzes ◮ 1. Eigenschaft: Geringster elektrischer Widerstand Elektrische Ladungen fließen immer über den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes. Blitzableiter sind aus Metall und besitzen meistens auch einen recht großen Querschnitt. Da bei einem großen Querschnitt die Elektronen seltener mit den Atomen des leitenden Materials zusammenstoßen, wird über den Querschnitt des Blitzableiters der elektrische Widerstand stark verringert. Im Endeffekt besitzt der Blitzableiter einen geringeren Widerstand als der Rest des Gebäudes und elektrische Ladungen fließen durch ihn zum Boden. Ein Blitz schlägt in den CN Tower in Toronto ein Quelle: wikipedia.org - Taxiarchos228 (CC BY-SA 3.0) c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Thomas Lauber Seite 1/4 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrische Feldstärke PhysikLV-Skript ◮ 2. Eigenschaft: Der Spitzeneffekt Dass spitze Gegenstände Blitze scheinbar wie magisch anziehen, nennt man den Spitzeneffekt. Der Grund hierfür ist, dass aus den umgebenden Luft-Molekülen Elektronen herausgelöst werden. Dies hat zur Folge, dass die Moleküle positiv geladen werden, sie werden zu Ionen. Die Luft wird also ionisiert bzw. geladen und damit elektrisch leitend. Damit die Elektronen austreten können, muss das elektrische Feld sehr stark sein. Dies ist besonders an stark gekrümmten Oberflächen, also Spitzen und Kanten, der Fall, da hier die Dichte der Feldlinien und damit die Stärke des elektrischen Feldes zunimmt. Eine ausführliche Erklärung hierfür findest du im Kapitel Elektrische Feldstärke einer Punktladung. ◮ 3. Eigenschaft: Abstand zur Quelle des Blitzes Durch die höhere Position des Blitzableiters ist der Abstand zwischen dem Blitzableiter und der Quelle des Blitzes kleiner. Da die Feldlinien, die vom Gebäude zur Gewitterwolke verlaufen, immer möglichst kurz sein wollen (siehe hierzu das PhysikLV-Skript Elektrisches Feld und Feldlinien“), kommt es zu Influenz. Es wan” dern also Ladungen (siehe hierzu das PhysikLV-Skript Einführung und Definitionen“). ” Du kannst dir entweder vorstellen, dass Elektronen von der negativen Ladung der Gewitterwolke nach unten verschoben werden oder dass positive Ladungen das höchste Gebäude nach oben wandern. Am Dach dieses Hauses nimmt die Stärke des elektrischen Feldes dementsprechend zu und der Blitz schlägt bevorzugt in dieses Gebäude ein. + + + + - - - + - + +- + - + - - + - + + + - - ++ - +- Doch wie kann man nun die Stärke des elektrischen Feldes zwischen Gewitterwolke und Erdboden definieren? Hierfür führen wir die elektrische Feldstärke als Größe ein. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Thomas Lauber Seite 2/4 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrische Feldstärke PhysikLV-Skript 2 Elektrische Feldstärke Die elektrische Feldstärke ist eine vektorielle physikalische Größe und beschreibt die Intensität und Richtung des elektrischen Feldes. Sie bestimmt die Fähigkeit des Feldes, Kraft auf eine Probeladung auszuüben und ist an jeder Stelle definiert. Die elektrische Kraft, welche von einer außen angelegten Spannungsdifferenz herrührt, wird also unabhängig von der Probeladung gemacht, indem wir sie durch selbige teilen: ~ ~E = F q Jedem Punkt im Raum ist damit ein bestimmter Betrag und eine bestimmte Richtung des elektrischen Feldes zugeordnet. Veranschaulicht wird die elektrische Feldstärke durch die elektrischen Feldlinien. Wie du dem PhysikLVSkript Elektrisches Feld und Feldlinien“entnehmen kannst, beschreibt dabei die Richtung der Feldli” nien die Richtung der elektrischen Feldstärke und die Dichte der Feldlinien steht für den Betrag der elektrischen Feldstärke. Die SI-Einheit der elektrischen Feldstärke ~E ist entsprechend der obigen Gleichung: 1 1J 1W s 1 V N = m = · =1 C 1As 1As m m 2.1 Elektrische Feldstärke einer Punktladung Die elektrische Feldstärke einer Punktladung lässt sich nun berechnen, indem du die Gleichung der Coulomb-Kraft, diese kannst du dem PhysikLV-Skript Einführung und Definitionen“entnehmen, in ” die obige Gleichung der elektrischen Feldstärke einsetzt: ~ ~E = F = q 1 4 π ǫ0 · Q·q r2 q = 1 Q · 2 4 π ǫ0 r Die Variable q steht hier für eine kleine Probeladung, welche sich in dem elektrische Feld einer zweiten Ladung Q befindet und von dieser abgestoßen wird. Diesen Zusammenhang kannst du dir wie nebenstehend vorstellen. E Um die Stärke und die Richtung des elektrischen Feldes, wel- +Q ches von der Ladung Q ausgeht, zu beschreiben, wird also die elektrische Kraft F dieser Ladung auf die Probeladung q durch selbige geteilt. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Thomas Lauber Seite 3/4 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrische Feldstärke PhysikLV-Skript Für die elektrische Feldstärke einer Punktladung gilt also: ~E = Q 1 · 4 π ǫ0 r 2 Die Größe ǫ0 ist eine Konstante und wird als elektrische Feldkonstante bezeichnet. Sie wird im gleichnamigen PhysikLV-Skript behandelt. Die elektrische Feldstärke einer Punktladung ist dementsprechend nur abhängig von der felderzeugenden Ladung Q und dem Krümmungsradius r. Dass die Feldstärke bei einer größeren Ladung größer wird, ist trivial. Doch betrachten wir nun den Krümmungsradius r. Wird dieser groß, so verringert sich die Feldstärke. Hingegen vergrößert diese sich, wenn der Radius r klein wird. Dies ist gerade an Ecken oder Spitzen der Fall. So erklärt sich auch der anfangs erwähnte Spitzeneffekt bei einem Blitzableiter. Wie im folgenden Bild können wir uns Spitzen und Kanten idealisiert als Kreisbogen vorstellen. Du kannst dann erkennen, dass bei gleicher Ladung die Feldlinien links, kleinerer Krümmungsradius rk , enger beieinander liegen als rechts bei einem größeren Krümmungsradius r g . Das bedeutet, dass bei einem kleineren Krümmungsradius das elektrische Feld stärker und entsprechend die Feldstärke größer ist. E E +Q Erreicht die elektrische Feldstärke nun einen bestimmten Wert, so wird die umgebende Luft wie eingangs erwähnt ionisiert und damit elektrisch leitend. Der Blitz sucht sich nun bevorzugt diesen Weg aus, um zur Erde zu gelangen. Trotz allem sollte man sich nicht darauf verlassen, dass der Blitz in das höchste Gebäude oder den höchsten Baum einschlagen wird. Vollständig sicher vor der Naturgewalt ist man nur in Gebäuden mit geschlossenen Fenstern und Blitzschutzsystemen. c Karlsruhe 2013 | SchulLV | Thomas Lauber Seite 4/4 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf PhysikLV erlaubt. www.PhysikLV.net
