Elektrisches Feld und Feldlinien ¨Ubersicht
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Baden-Württemberg | Abitur P HYSIK Basiswissen | Aufgaben und Lösungen Dein Lernverzeichnis ◮ Elektrisches Feld | Elektrisches Feld und Feldlinien PhysikLV-Skript Elektrisches Feld und Feldlinien Übersicht 1 Einführung 1 2 Elektrisches Feld 1 3 Elektrische Feldlinien 2 3.1 3.2 Homogenes Feld (mit inhomogenem Randbereich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radialfeld (elektrischer Monopol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3.3 3.4 Zwei entgegengesetzt geladene Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwei gleichnamige Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 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 | Elektrisches Feld und Feldlinien PhysikLV-Skript 1 Einführung Elektrische Felder sind, obwohl sehr abstrakt und nicht sichtbar, allgegenwärtig in unserer Umgebung. Wenn wir mit den Füßen über den Boden scharren, dann riskieren wir kleine Stromschläge von der nächstbesten Türklinke, an Pullovern geriebene Luftballons bleiben am Kopf hängen und der eben benutzte Kamm hebt auf fast magische Weise Papierschnipsel vom Tisch. Erfahrbar in all ihrer Leistungsfähigkeit werden elektrische Felder immer dann, wenn sie auch gefährlich werden, dann nämlich, wenn es beim Gewitter blitzt. Wir werden im Folgenden die wichtigsten Begriffe und Themen zusammentragen, die zum Verständnis des elektrischen Felds und seiner Wirkungen wichtig sind. wikipedia.org - Catalin.Fatu (CC BY-SA 3.0) 2 Elektrisches Feld Ein Gewitter entsteht, wenn warme, feuchte Luftmassen zusammenströmen und in der Atmosphäre aufsteigen. Es entsteht ein Cumulonimbus, eine Gewitterwolke, mit großer vertikaler Ausdehnung. Schematisiert dargestellt herrschen im unteren Teil dieser Wolke Wassertropfen und im oberen Teil, wo es wesentlich kälter ist, Eiskristalle vor. Man stellt + + + + - - - sich heute vor, dass sich beim Auftürmen dieser Wolke im Inneren durch Reibung und Zusammenstöße die Ladungen trennen. Die Eiskristalle laden sich positiv und die Wassertropfen negativ auf. Diese Ladungstrennung erzeugt ein elektrisches Feld in der Wolke und zwi- - + +- + - + - schen Wolke und Erdoberfläche. Sobald ein bestimmter Wert der Feldstärke überschritten wird, kommt es zu einem Kurzschluss und es entsteht ein Blitz. Dieser kann im Innern der Wolke oder zwischen Wolke und Erdoberfläche auftreten und zu einem Ladungsausgleich führen. Ein elektrisches Feld wird durch eine Ladungsdifferenz erzeugt und ist ein räumlich begrenztes Gebiet, in dem elektrische Ladungen eine Kraft erfahren. Da immer eine Ladungsdifferenz zwischen einem Ladungsträger und dem Medium darum herrscht, ist jede Ladung, auch isolierte, von einem elektrischen Feld umgeben. In solch einem elektrischen Feld können geladene Teilchen angezogen bzw. abgelenkt werden. 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 | Elektrisches Feld und Feldlinien PhysikLV-Skript Das beste Beispiel hierfür ist der Versuch, mit einem gerade benutzten Kamm Papierschnipsel aufzuheben. Scheinbar magisch heben sich diese an. Die Erklärung hierfür ist, dass sich der Kamm beim Kämmen negativ auflädt, da er Elektronen von deinen Haaren abstreift. Die Ladungsdifferenz zwischen dem Kamm und den Papierschnipseln lässt ein elektrisches Feld entstehen, worauf die weniger negativ geladenen Schnipsel auf Grund der elektrischen Kraft vom Kamm angezogen werden. Diese elektrische Kraft ist in diesem Experiment also stärker als die Gravitation! Doch nicht nur im Badezimmer wirkt diese Kraft. Sie wirkt überall, denn elektrische Felder existieren auch im Vakuum. Ein Beispiel hierfür ist die gesamte Materie. Diese besteht ja bekanntlich aus einem positiven Atomkern und negativ geladenen Elektronen und existiert auch im Weltraum, wo ein Vakuum herrscht. Im Bohrschen Atommodell erfährt ein sich um den Atomkern bewegendes Elektron eine Fliehkraft, welche nach außen, und die Elektron Coulomb-Kraft, welche nach innen wirkt. Das daraus resultierende Gleichgewicht sorgt in diesem Atom- - Atomkern + modell dafür, dass das Elektron auf der für es vorgesehenen Kreisbahn fliegt. 3 Elektrische Feldlinien Elektrische Feldlinien veranschaulichen die von einem elektrischen Feld auf einen Körper ausgeübte Kraft. Sie sind gerade oder gekrümmte gedachte Linien. Man kann sie also nicht mit den Augen wahrnehmen, sondern nur in Versuchen, z.B. mit Hilfe von Grießkörnern in Rizinusöl, beschreiben. In einem elektrischen Feld wird die Richtung, in die die elektrische Kraft wirkt, durch die Richtung der Feldlinien beschrieben. Die Stärke des elektrischen Feldes entspricht dagegen der Dichte der Feldlinien. Je näher sich die Feldlinien also kommen, desto stärker ist an dieser Stelle das elektrische Feld. In einem Versuch lässt sich der Verlauf der Feldlinien mit Hilfe von Grießkörnern in Rizinusöl sichtbar machen. Auf sie wirkt im elektrischen Feld die Coulombkraft, welche dafür sorgt, dass sich die Grießkörner entlang der Feldlinien ausrichten. • Die Dichte der Feldlinien beschreibt die Stärke der elektrischen Kraft. • Ihre Richtung beschreibt die Richtung der elektrischen Kraft. • Feldlinien stehen immer senkrecht auf Leiteroberflächen. • Feldlinien durchkreuzen sich nicht. • Feldlinien stoßen sich ab. • Feldlinien möchten immer möglichst kurz sein. • Feldlinien beginnen bei der positiven Ladung und enden bei der negativen Ladung. Merksatz: Wie das Geld auf dem Konto, so verlaufen die Feldlinien auch von + nach - . “ ” 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 | Elektrisches Feld und Feldlinien PhysikLV-Skript 3.1 Homogenes Feld (mit inhomogenem Randbereich) - - - - Im homogenen elektrischen Feld eines Plattenkondensators etwa reihen sich Grießkörner entlang einer Kette aneinander und richten sich parallel zueinander aus. Die außerhalb des Kondensators, im inhomogenen Randbereich, verlaufenden Feldlinien sind gekrümmt. ++++ Es entsteht das nebenstehende Bild. Da sich die Grießkörner entlang der Feldlinien ausrichten, kannst du dir folgendes Feldlinien-Bild vorstellen. Es verdeutlicht die Richtung, in der die elektrischen Kraft wirkt. - - - ++++ 3.2 Radialfeld (elektrischer Monopol) Ein Radialfeld ist ein kreisförmig aufgebautes, elektrisches Feld. Die Feldlinien verlaufen bei einem solchen Feld strahlenförmig vom Pluspol nach außen zum Minuspol hin weg. Ist der äußere Pol nicht in der Umgebung, so spricht man hierbei auch von einem elektrischen Monopol und die Potentialdifferenz besteht zwischen der Ladung und der Umgebung. Jede isolierte positive Ladung ist also von einem solchen Feld umgeben. Bei isolierten negativen Ladungen zeigen die Feldlinien genau in die umgekehrte Richtung. + elektrischer Monopol Radialfeld 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 | Elektrisches Feld und Feldlinien PhysikLV-Skript 3.3 Zwei entgegengesetzt geladene Ladungen Ein elektrischer Dipol wird durch zwei entgegengesetzt geladenen Ladungen hervorgerufen. Die Feldlinie auf der Verbindungsstrecke der zwei entgegenge- + setzt geladenen Ladungen verläuft gerade. Alle weiteren Feldlinien sind gekrümmt, da diese immer senkrecht auf einer Leitero- - berfläche stehen. 3.4 Zwei gleichnamige Ladungen Zwei gleichnamige Ladungen kannst du dir wie zwei gleichnamige Monopole vorstellen. Doch schaust du dir nun den folgenden theoretischen Verlauf der Feldlinien an, kannst du feststellen, dass sich die Feldlinien nicht weiter in den Raum ausbreiten können, ohne sich zu kreuzen. + + Feldlinien können sich allerdings nicht durchkreuzen, wie du dem Kapitel Elektrische Feldlinien entnehmen kannst. Um sich nicht durchkreuzen zu müssen, krümmen sich die Feldlinien wie im Folgenden dargestellt. Die Feldlinien zeigen also in den Raum hinter den Punktladungen. Vor den Punktladungen verlaufen die Feldlinien nicht mehr durchgehend, sondern laufen zur Seite weg. Da die Feldlinien die Richtung der elektrischen Kraft darstellen, kannst du erkennen, dass sich die zwei gleichnamigen Ladungen abstoßen. + 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
