Startseite FORPHYS

SG054 Die Feldstärke - Zusammenhang mit Kraft

elektromagnetisches Feld

Gravitationsfeld

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

(1) Elektrische Feldstärke E

Wenn du eine kleine Probeladung q in ein elektrisches Feld bringst, kannst du eine Kraft F auf die Ladung q beobachten. Das elektrische Feld soll von der positiven felderzeugenden Ladung Q zur negativen felderzeugenden Ladung -Q gerichtet sein. Eine positive Probeladung q wird also von der positiven Ladung Q abgestoßen und erfährt eine zur Feldrichtung gleichgerichtete Kraft F. Messungen zeigen: Der Betrag F von F ist umso größer, je stärker das Feld ist. Messungen zeigen auch, dass F prop. q. Deshalb lag es nahe, zu eine Feldstärke zu definieren durch:

E = F/q

bzw., wenn du die Aussagen zu Betrag und Richtung zusammenfasst:

    F = q · E    

Diese Gleichung sagt für die Richungen: Bei einer positiven Probeladung sind F und E gleichgerichtet, bei einer negativen Probeladung sind F und E wegen des negativen Faktors q entgegengesetzt gerichtet. Auch die Gleichung für die Beträge ist enthalten: F = q · E.

Elektrische Feldstärken können entsprechend der Definitionsgleichung auch gemessen werden.

.

(2) Gravitationsfeldstärke

Im Prinzip sind die Verhältnisse hier ähnlich. Statt einer Probeladung q wird hier eine Probemasse m verwendet. Kraft FG und Probemasse sind zueinander proportional und es wird definiert:   g = FG/m  . Für das Gravitationsfeld nahe der Erdoberfläche stimmt offenbar die Gravitationsfeldstärke g mit der Fallbeschleunigung überein ( FG = m ·g ). Die Masse misst damit nicht nur die Trägheit eines Körpers, sondern ist auch so etwas wie die "Gravitationsladung". "Gravitationsfeldstärke" und "Gravitationsladung" sind zwar sinnvolle Begriffe, werden aber selten gebraucht.

(3) Magnetische Feldstärke B

Hier sind die Verhältnisse komplizierter, da es keine magnetischen Ladungen gibt. Du musst hier eine magnetische Feldstärke (genauer die "magnetische Flussdichte") durch Kräfte auf elektrische Ströme definieren. Mit einem Stromwaage-Versuch findest du:

(a) Es entsteht keine magnetische Kraft, wenn der Strom parallel zum Magnetfeld fließt.

(b) Maximale Kraft entsteht, wenn der Strom senkrecht zum Magnetfeld fließt.

(c) In diesem Fall ist die magnetische Kraft FM proportional zur Stromstärke I und zur Länge l des Leiters senkrecht zu B.

Deshalb liegt es nahe für den Betrag der magnetischen Feldstärke B zu definieren:

      FM = B·I·l    bzw. B = FM/(I·l)    

Für die Richtungen gilt die Rechte-Hand-Regel. (Daumen: I; Zeigefinger: B; Mittelfinger: FM). Die Regel heißt auch manchmal UVW-Regel (Daumen: U für Ursache I; Zeigefinger: V für Vermittlung B; Wirkung: W für FM). Fortgeschrittenere Physik-Studenten bringen lieber mit Hilfe eines Kreuzprodukts ( x ) der Vektorrechnung die Richtungen von oben ins Spiel; das soll aber nicht weiter erläutert werden:   FM = B x I · l    (I soll ein Vektor in Stromrichtung mit der Stromstärke I als Betrag sein).


Die mit der Stromwaage gemessene Gesetzmäßigkeit führt zur Gesetzmäßigkeit für die Lorentz-Kraft auf eine mit der Geschwindigkeit v bewegte elektrische Ladung  q:   

  FL = q·v·B  bzw.   FL = q · v x B  .


Hinweis: Laut DIN-Norm sollte für die "magnetische Feldstärke" eine andere Größe verwendet werden: H (auch "magnetische Erregung" genannt). B sollte danach "magnetische Flussdichte" oder "magnetische Induktion" heißen. Im Vakuum gilt  B = µ0 · H mit der magnetischen Feldkonstanten µ0 . In einfachen Fällen gilt auch in Materie noch B = µ0 · µr· H mit der materialabhängigen relativen Permeabilität µr . Im allgemeinen ist jedoch der Zusammenhang zwischen B und H sehr viel komplizierter. Es gibt Fälle (z.B. in einem Permanentmagneten), bei denen B und H sogar einander entgegenlaufen. Aus Sicht der Physiker ist aber B die eigentliche magnetische Feldstärke. H wird in der Schule heute kaum verwendet.