Das elektrische Feld II

Das elektrische Feld ist ein wichtiger Begriff in der Elektrotechnik. Das Zusammenspiel von elektrischem und magnetischem Feld wird elektromagnetisches Feld genannt. Damit lässt sich beispielsweise die Ausbreitung von Licht- und Funkwellen erklären. Dieser Artikel ergänzt den Artikel „Das elektrische Feld I“ mit den Grundbegriffen, die mit dem elektrischen Feld zusammenhängen.

Die elektrische Feldstärke E

Im elektrischen Feld werden Kräfte auf geladene Körper ausgeübt. Die Kraft, welche auf eine Probeladung wirkt, kennzeichnet die Stärke des elektrischen Feldes. Diese Kraft F ist proportional zur Ladung Q des Körpers sowie zur Feldstärke E. Folgende Formel zeigt den Zusammenhang zwischen Kraft, Ladung und Feldstärke:

Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist Volt pro Meter [V/m]. Dies lässt sich im homogenen elektrischen Feld folgendermaßen erklären:

Wird eine positive Probeladung in ein elektrisches Feld gebracht, so wird auf sie eine Kraft ausgeübt. Der Weg, den die Probeladung zurücklegt, wird als Feldlinie bezeichnet. Beim Verschieben der Probeladung auf einer Feldlinie vom Punkt 1 zum Punkt 2 ist Arbeit erforderlich, weil die Verschiebung gegen die Feldstärke erfolgt. Die Energie der Probeladung erhöht sich um diesen Arbeitsaufwand:

Die Arbeit lässt sich durch die bekannte Gleichung

erklären, wobei die Spannung U der Potentialdifferenz der beiden Punkte entspricht. Durch Umformen und Einsetzen lässt sich aus dem Zusammenhang zwischen der elektrischen Spannung und dem elektrischen Feld ihre Einheit erkennen:

Das elektrische Potential ϕ

Die Energie einer Probeladung im elektrischen Feld ist abhängig vom Abstand zur Bezugselektrode. Demzufolge entsprechen diese Energiezustände einem bestimmten Potential. Im homogenen Feld ist somit das Potential ϕ das Produkt aus der elektrischen Feldstärke E und dem Abstand h zur Bezugselektrode. Feldpunkte auf einer Feldlinie mit unterschiedlichem Abstand zur Bezugselektrode besitzen daher unterschiedliches Potential. Dieser Potentialunterschied entspricht der Spannung zwischen diesen beiden Punkten. Folgende Abbildung verdeutlicht die nebenstehenden Formeln:

Die Spannung zwischen zwei Elektroden entspricht also dem Potentialunterschied zwischen Anfang und Ende einer Feldlinie. Dies veranschaulicht folgende Abbildung:

Der elektrische Fluss Ψ und die elektrische Flussdichte D

Die Feldlinien zeigen den Verlauf und die Stärke des elektrischen Feldes. Die Summe aller Feldlinien, die von einem geladenen Körper ausgehen, kennzeichnet den elektrischen Fluss. Dieser entspricht ebenfalls der Summe aller felderzeugenden Ladungen. Folgende Formel verdeutlicht dies:

Durchdringen Feldlinien gleichmäßig und im rechten Winkel die Fläche A, so berechnet sich die elektrische Flussdichte folgendermaßen:

Die Kapazität C

Wie im Artikel Elektromagnetismus: Das elektrische Feld I beschrieben, bleiben nach Abschaltung der Spannung die Ladungsträger bei einem Kondensator voneinander getrennt. Die Potentialdifferenz zwischen den Metallplatten bleibt auch weiterhin bestehen. Die Kapazität C bezeichnet den Zusammenhang zwischen der vorhandenen Ladung Q und der Spannung U zwischen der beiden Platten, wie folgende Formel zeigt:

Anders ausgedrückt ist die Ladung, welche der Kondensator aufnehmen kann, proportional zur Spannung. Der Proportionalitätsfaktor ist die Kapazität C. Da die Kapazität von der Bauweise des Kondensators abhängt, kann die Ladungsmenge nur durch erhöhen der Spannung vergrößert werden.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*