Das elektrische Feld I

Es ist unsichtbar, trotzdem ist es da: das elektrische Feld. Es liefert beispielsweise die Grundlagen für den Kondensator und viele weitere Anwendungen machen sich das elektrische Feld zu Nutzen. Doch wie erzeugt man ein elektrisches Feld? Wie kann es grafisch dargestellt werden? Der folgende Artikel gibt Antworten auf diese Fragen.

Das elektrische Feld

Das elektrische Feld ist der physikalische Zustand der Umgebung elektrisch geladener Körper. Dadurch werden mechanische Kräfte auf andere Körper ausgeübt. Grund für diese physikalische Zustandsänderung ist die elektrische Ladung Q der geladenen Körper. Verändern diese weder ihren Ort noch ihre Größe, so ändert sich auch das elektrische Feld nicht. Es wird dann als elektrostatisches Feld bezeichnet. Die elektrische Feldstärke E und die elektrische Flussdichte D charakterisieren das elektrische Feld.

Die elektrische Ladung Q

Aufgrund der Zusammensetzung der Materie treten in jedem Körper Elektrizitätsmengen auf. Die kleinste ist die Elementarmenge e, diese kann nicht weiter unterteilt werden. Sie tritt als zwei komplementäre Formen auf: einerseits im Proton als Plusladung, andererseits als Minusladung im Elektron. Befinden sich gleich viele Plusladungen wie Minusladungen in einem Körper, ist er ungeladen. Er wird als elektrisch neutraler Körper bezeichnet. Herrscht ein Ungleichgewicht der Ladungsträger, bezeichnet man den Körper als elektrisch geladen. Ein positiv geladener Körper besitzt mehr Protonen als Elektronen, es herrscht ein Elektronenmangel. In gleicher Weise herrscht bei negativ geladenen Körpern ein Elektronenüberschuss.

Erzeugen eines elektrischen Feldes

Ein Körper wird durch die Herstellung eines Ungleichgewichts der Ladungsträger geladen. Dies geschieht beispielsweise durch Reiben eines Wolltuches an einem Kunststoff- oder Glasstab. Es werden an der Oberfläche des Körpers entweder Elektronen entnommen oder zugeführt. Der Stab zieht nun kleine Papier- oder Styroporteilchen an.

Eine weitere Möglichkeit Ladungen zu trennen, ist das Anlegen einer elektrischen Spannung an zwei voneinander isolierten Metallplatten. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht der Ladungsträger und es baut sich ein elektrisches Feld auf. Durch die angelegte Spannung fließt ein kurzer Ladestrom und die Ladungsträger verschieben sich. Auf einer Metallplatte entsteht ein Elektronenmangel und somit eine positive Ladung, während auf der anderen Platte durch einen Elektronenüberschuss eine negative Ladung hervorgerufen wird. Die Ladungen bleiben auch nach Abschalten der Spannungsquelle erhalten, da sie nicht wieder zurückfließen können. Aus diesem Grund bleibt zwischen den Platten eine Spannung erhalten, die der anfangs angelegten Spannung entspricht. Solch eine Anordnung wird allgemein als Kondensator bezeichnet. Folgende Abbildung verdeutlicht das Prinzip der Ladungstrennung:

Grafische Darstellung des elektrischen Feldes

Im elektrischen Feld werden Kräfte auf geladene Körper ausgeübt. Bringt man eine positive Probeladung in ein elektrisches Feld, so wird auf sie eine Kraft ausgeübt. Sie wird von der positiven Elektrode abgestoßen und von der negativen angezogen. Der Weg, den die Probeladung zurücklegt, wird als Feldlinie bezeichnet. Feldlinien kennzeichnen die Stärke und die Richtung der wirkenden Kräfte. Sie beginnen bei der positiven und enden bei der negativen Elektrode. Zu beachten ist, dass Feldlinien stets im rechten Winkel (90°) aus der positiven Elektrode austreten und auch im rechten Winkel in die negative Elektrode eintreten. Je dichter die Feldlinien sind, umso stärker ist das elektrische Feld. Folgende Abbildungen zeigen die Feldlinien bei verschiedenen Anordnungen, wobei rot eine positive Ladung und blau/türkis eine negative Ladung darstellt:

Die Feldlinien einer Kugelladung verlaufen sternförmig:

Zwischen zwei Platten sind die Feldlinien parallel und gleichmäßig, es herrscht ein homogenes Feld. An den Enden der Elektroden sind die Feldlinien gekrümmt:

Weiter Beispiele:

Bei komplexeren Beispielen wird ersichtlich, dass Feldlinien stets von der positiven Ladung zur negativen Ladung verlaufen. Des Weiteren ist erkennbar, dass die Feldlinien immer im rechten Winkel ein- und austreten:

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