gleiche Ladungen stoßen sich ab ungleiche Ladungen ziehen sich an

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/r3
(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)
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