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SG075 F = E·q / Definition der elektrischen Feldstärke E

elektrisches Feld

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Bringt man in ein elektrisches Feld E eine kleine Probeladung q, so zeigen Messungen, dass das Feld E eine Kraft F auf die Ladung q ausübt. Zwar wird das Feld nicht nur durch die Ladung Q bestimmt, sondern auch durch die Ladung q. Je kleiner q gewählt wird, um so geringer ist dieser Einfluss. Im limes q => 0 ist dieser Einfluss vernachlässigbar. Dann hängt die Kraft nur mehr von q und dem von q unabhängigen Feld E (erzeugt durch Q) ab, und es gilt: F prop. q.  Das kann durch Experimente überprüft werden. q wird deshalb Probeladung genannt, Q felderzeugende Ladung. Es liegt nahe, die fehlende Proportionalitätskonstante als Maß für die Feldstärke E zu nehmen, also E so zu definieren:

F = E·q

Für die elektrische Feldstärke erhalten wir also die Definition

    E = F/q    

Mit q kann also die elektrische Feldstärke "erprobt" werden, und ihre Bezeichnung als Probeladung wird klar. Wenn q > 0 sind E und F gleichgerichtet, andernfalls entgegengesetzt. Für die Einheit folgt E = 1 N/C = 1 J/(m·C) = 1 V·A·s/(m·s·A) = 1 V/m .

Für die elektrische Kraft F mit dem Betrag F zwischen zwei elektrischen Ladungen Q und q besagt das Coulomb-Gesetz:

     F = 1/4·π·ε0 Q·q/r2    

ε0 = 8,8542 ·10-12 C/(V·m) = 8,8542 ·10-12 A·s/(V·m) ist die so genannte elektrische Feldkonstante.

Dabei sind die beiden Ladungen Q und q  vollkommen gleichberechtigt. Sie bestimmen beide das elektrische Feld zwischen und um die beiden Ladungen herum. Macht man die Ladung q jedoch immer kleiner, so hat sie immer weniger Einfluss auf das elektrische Feld. Außer in der unmittelbaren Nähe von q ist das elektrische Feld allein durch Q bestimmt, die so genannte felderzeugende Ladung. Je kleiner q wird, desto mehr nähert sich das elektrische Feld der Ladung Q einem radialsymmetrischen Feld. Entsprechend der obigen Definition E = F/q gilt dann:

    E = 1/4·π·ε0 Q/r2  

Aus   E = F/q   ergibt sich eine prinzipielle Messmöglichkeit für die elektrische Feldstärke: Du bringst eine bekannte (kleine) Ladung q (die Probeladung) ins elektrische Feld und misst die Kraft auf die Ladung. Deswegen hat die elektrische Feldstärke die Einheit:

     [E] = 1 N/C = 1 V/m  


Für das Gravitationsfeld könnte man entsprechend eine Gravitationsfeldstärke definieren: Statt E = F/q hieße die Definition: g = FG/m mit der Gewichtskraft FG. Der Betrag von g ist der Ortsfaktor g. Das ist allerdings weniger üblich.

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( Juni 2014 )