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Das elektrische Feld

© H. Hübel Würzburg 2013

Empfohlene Glossarthemen:

Feldbegriff

Feldlinien

elektromagnetisches Feld

Feldstärke

Glossar zur Physik für Schülerinnen und Schüler

Physik für Schülerinnen und Schüler

Die Entdeckung des elektrischen Feldes

Beobachtungen

Einen Metallkörper kann man positiv (negativ) laden, indem man ihn mit dem positiven (negativen) Pol einer Spannungsquelle verbindet, deren zweiter Pol geerdet (mit der "Erde" verbunden) ist. Ein solcher Metallkörper heißt in der Elektrostatik häufig Konduktor. Alle Ladungen werden häufig mit der "Erde" verglichen. Im Vergleich zur "Erde" kann ein Konduktor positiv oder negativ oder neutral sein.
Bringt man eine kleine positive Probeladung in die Nähe einer positiv geladenen Kugel (felderzeugenden Ladung), so wird sie radial abgestoßen.

Die Abstoßungskraft ist radial vom Zentrum der felderzeugenden Ladung weg gerichtet.

Die Probeladung soll möglichst klein sein, damit sie das vorgegebene elektrische Feld der felderzeugenden Ladung möglichst wenig verändert.

Bringt man eine kleine positive Probeladung in die Nähe einer negativ geladenen Kugel (felderzeugenden Ladung), so wird sie radial angezogen.

Die Anziehungskraft ist radial  zum Zentrum der felderzeugenden Ladung hin gerichtet.

Influenz und Polarisation

Bringt man in die Nähe eines positiv geladenen Körpers ein Stück neutrales Metall, so findet in ihm eine Ladungstrennung statt: negative Ladungen (die frei beweglichen Elektronen) werden soweit wie möglich heran gezogen, positive so weit wie möglich abgestoßen, sofern sie beweglich sind. Der Vorgang wird Influenz genannt. Da ungleichnamige Ladungen den kürzesten Abstand zum geladenenen Körper einnehmen, überwiegt die Anziehungskraft.

Bringt man in die Nähe eines positiv geladenen Körpers ein Stück eines Isolators (ein "Dielektrikum"), so findet in ihm keine Ladungstrennung statt, weil es in ihm keine frei beweglichen Elektronen gibt. Dagegen werden innerhalb der Moleküle des Dielektrikums negative Ladungen und positive Ladungen gegeneinander verschoben. An einer Seite des Moleküls wird ein positiver, an der anderen Seite ein negativer Ladungsschwerpunkt entstehen. Oder es werden Moleküle mit bereits vorhandenen getrennten Ladungsschwerpunkten gedreht, so dass der negative Ladungsschwerpunkt dem positiv geladenen Körper möglichst nahe, der positive Ladungsschwerpunkt möglichst fern ist. Beide Vorgänge werden Polarisation genannt. Da ungleichnamige Ladungen den kürzesten Abstand haben, überwiegt auch hier die Anziehungskraft.

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SV: Versuch mit einem Wasserstrahl:

Drehe einen Wasserhahn nur ganz wenig auf, so dass ein dünner Wasserstrahl entsteht. Nimm nun einen sauberen Kamm, reibe ihn an deinen Haaren oder der Kleidung und bringe ein Ende von ihm in die Nähe des Wasserstrahls.

Erkläre die Beobachtung. Berücksichtige dabei, dass der Wasserstrahl in guter Näherung ein ungeladener Isolator ist!

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Einführung des elektrischen Feldes um die Wirkung über eine Entfernung hin zu erklären.

Wie beim magnetischen Feld entstehen Wirkungen über eine Entfernung hin. Bei einem Gewitter z.B. gehen elektrische Wirkungen über hunderte von m hin von elektrisch geladenen Wolken bis zur Erdoberfläche oder umgekehrt. Statt eine Fernwirkung anzunehmen, die bisher nie beobachtet wurde, wurde gesagt, dass die felderzeugende Ladung im Raum ein elektrisches Feld erzeuge. Bringt man in dieses Feld eine Probeladung, entsteht an der Stelle einer Probeladung eine Kraftwirkung vom elektrischen Feld an dieser Stelle auf die Probeladung (Nahwirkung). Wie absurd die frühere Auffassung der Felder als ein "Raum" ist, siehst du, wenn du Situationen betrachtest, wo ein Raum gleichzeitig mit einem elektrischen und einem magnetischen Feld erfüllt ist. (Gilt vielleicht: 'elektrisches Feld = "Raum mit Kraftwirkung" = magnetisches Feld' ??? )
Dieses elektrische Feld hat eine Struktur, die wie beim Magnetfeld näherungsweise sichtbar gemacht werden kann; diesmal aber mit Grießkörnern. Diese sind Isolatoren, können aber elektrisch polarisiert werden, d.h. in den Molekülen in ihrem Inneren können Ladungen über kurze Distanzen verschoben werden. Grießkörner-Ketten bilden sich dann, weil sich positive und negative Enden der polarisierten Grießkörner gegenseitig anziehen. Grießkörner-Ketten folgen ungefähr dem Verlauf von gedachten Feldlinien. (Damit sich die Grießkörner leicht aneinander ketten können, schwimmen sie in einem nichtleitenden Öl: Rhyzinusöl.)

Eine (gedachte) Feldlinie zeigt in jedem Punkt die Richtung der elektrischen Kraft auf eine kleine positive Probeladung an. Sie ist dort tangential an die Feldlinie gerichtet. Elektrische Feldlinien gibt es ebenso wie magnetische Feldlinien nicht in der Natur. Sie existieren nur in den Köpfen von Menschen, die sich mit solchen Feldern beschäftigen. Für sie sind sie aber sehr nützlich.

Eine Richtung des elektrischen Felds soll folgendermaßen definiert werden:

       Das elektrische Feld soll die gleiche Richtung haben wie die Kraft auf eine kleine positive Probeladung, die in das elektrische Feld gebracht wird.      

Man geht immer von möglichst kleinen Probeladungen aus, damit das vorhandene elektrische Feld durch sie nicht verändert wird.
Richtungsdefinition des elektrischen Felds.

Bei einer negativen Probeladung wären E und F entgegengesetzt bei unveränderter Richtung des elektrischen Feldes E.

Wenn das elektrische Feld durch positive und negative Ladungen erzeugt wird (felderzeugende Ladungen), ist das elektrische Feld längs einer elektrischen Feldlinie von der positiven zur negativen Ladung gerichtet.

Elektrische Felder (in der Elektrostatik) gehen also von positiven Ladungen aus (Quellen) und enden an negativen Ladungen (Senken)

Es gibt auch elektrische Felder ohne Quellen und Senken; sie müssen dann ringförmig geschlossen sein. Sie entstehen bei der elektromagnetischen Induktion.

Tatsächlich kann man dem elektrischen Feld auch eine "Stärke" zuweisen. Misst man nämlich im elektrischen Feld eine Kraft F auf eine Probeladung Q, dann ist der Quotient F/Q an einer bestimmten Stelle unabhängig von Q. Er ist dort allein vom elektrischen Feld abhängig und umso größer, je "stärker" dort das Feld ist. Es war naheliegend, diesen Quotienten die elektrische Feldstärke E zu nennen mit einer Richtung wie oben beschrieben. Die vektorielle Gleichung

         E = F/Q        

besagt dann auch, dass der elektrische Feldstärkevektor E bei einer positiven Probeladung Q gleichgerichtet ist mit der Kraft F auf die Probeladung. Bei einer negativen Probeladung sind F und E dann entgegengesetzt. Es wird behauptet, dass die Entdeckung des elektrischen Feldes auf  Thomas Seebeck  (Anfang des 19. Jahrhunderts) und die Definition der elektrischen Feldstärke auf Emil Cohn (Ende des 19. Jahrhunderts) zurückgeht. Aber auch schon Faraday arbeitete mit "elektrischen Kraftlinien". Kann - entsprechend der früheren Auffassung eines Felds - der Raum eine "Stärke" haben?

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Welche Struktur haben Felder?

Es gibt einige typische Ladungsverteilungen, die zu charakteristischen Feldverteilungen führen:

Elektrisches Feld einer Kugelladung (gezeichnet in einer Schnittebene durch den Kugelmittelpunkt). Feldlinien wurden sichtbar gemacht durch Grieskörner in Rhyzinusöl.

Im Experiment wurde der äußere Ring hinzugefügt um zufällige Ladungen an der Gefäßwandung auszuschalten.

Elektrisches Feld zweier ungleichnamiger Kugelladungen, konstruiert mit dem Programm PTLADUNG.exe, das du aus dem Internet herunter laden kannst.

(Dieses Programm berechnet und überlagert für den Punkt an der Spitze des Mauszeigers die Coulombkräfte, die von den felderzeugenden Ladungen ausgehen, überlagert sie und stellt die Richtung der resultierenden Kraft fest. Diese entspricht der Tangente an die Feldlinie im betrachteten Punkt.)

Elektrisches Feld zweier paralleler Metallplatten in geringem Abstand (Plattenkondensator).

Zwischen den Kondensatorplatten ist das elektrische Feld weitgehend homogen, erkennbar an den parallel verlaufenden Feldlinien mit gleicher "Feldliniendichte"

Elektrisches Feld einer positiven Kugelladung Q (links) vor einer Metallplatte. Auf ihrer Oberfläche wird die gleich große negative Ladung -Q influenziert. Das Feld ähnelt dem von zwei ungleichnamigen, aber gleich großen Kugelladungen, wobei die Metallplatte in der Symmetrieebene steht. Es sieht so aus, als erzeuge die Kugelladung eine an der Metallplatte gespiegelte "Spiegelladung" (Bildladung) umgekehrten Vorzeichens.

Typischerweise ist die elektrische Feldstärke, erkennbar an der "Feldliniendichte", in der Nähe von Spitzen und scharfen Kanten besonders groß. Im Inneren eines Plattenkondensators herrscht ein homogenes elektrisches Feld mit lauter parallelen Feldlinien. Das elektrische Feld steht (die elektrischen Feldlinien stehen) senkrecht auf der Oberfläche guter metallischer Leiter. Andernfalls würde eine Komponente des elektrischen Feldes parallel zur Oberfläche des Metalls Ladungen solange verschieben, bis die Feldlinien auf ihm senkrecht stehen.

Hier siehst du Fotos von Feldlinienbilder, die mit Grieskörnern näherungsweise sichtbar gemacht werden.

Im Inneren eines guten metallischen Leiters gibt es kein elektrisches Feld, auch ein Hohlraum in einem guten metallischen Leiter ist feldfrei (Faraday'scher Käfig).

Nach der modernen Quantentheorie hängen in gewisser Weise magnetisches und elektrisches Feld an einem bestimmten Ort gemeinsam zusammen mit der Wahrscheinlichkeit, dort ein Photon zu messen. Nach der Quantentheorie kann die Wechselwirkung zweier geladener Körper auch als ein Austausch von Photonen gesehen werden. Das überschreitet aber den Bereich der Schulphysik.

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Wieder löst der Begriff des elektrischen Feldes ein Verständnisproblem:
Betrachte einen geladenen Plattenkondensator, in den du eine kleine positive Probeladung bringst. Sie wird zur negativen Kondensatorplatte hin ausgelenkt. Aber kommt diese Auslenkung dadurch zustande, dass die positive Probeladung von der negativen Platte angezogen oder von der positiven Platte abgestoßen wird, oder wirken vielleicht beide Kräfte zusammen? Oder gibt es etwa noch eine dritte Kraft, die Feldkraft?

Tatsächlich brauchen wir nur die Wirkung einer einzigen Kraft betrachten, der Feldkraft, also der Kraft, die das vorhandene elektrische Feld E im Kondensatorzwischenraum auf die Probeladung ausübt.

Auch Rundfunk- oder Fernsehsendungen werden durch zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder übertragen, genauso wie Licht oder Röntgenstrahlung. Eine Vorstellung aus der Quantentheorie besagt, dass die Ausbreitung von elektromagnetischen Feldern mit Teilchen zusammenhängt, die Photonen heißen.