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Die elektrische Feldstärke: im Spannungsfeld der elektrischen Kräfte

Der Mensch verbindet mit dem Wort Elektrizität unsichtbare Kräfte, denen er mit dem entsprechenden Respekt begegnet. Das faszinierende Licht einer Blitzentladung am Himmel gehört zweifelsohne zu den attraktivsten Naturschauspielen. Dennoch veranlasst es uns, Schutz aufzusuchen. Und dies zu Recht, können doch zwischen den Gewitterwolken Spannungen bis zu mehreren einhundert Millionen Volt auftreten, die sich zwischen Himmel und Erde entladen. Die Elektrizität, als Oberbegriff dieses Phänomens, ist das Resultat der sogenannten elektrischen Ladung. Diese erzeugt einen elektrischen Strom, wenn sie sich bewegt. Das elektrische Feld, um das es im Folgenden geht, ist hingegen eine physikalische Zustandsgrösse des Raumes.

Wie ist die elektrische Feldstärke definiert?

Die elektrische Feldstärke E ist ein Vektor, mit dem die Stärke eines elektrischen Feldes in jedem Punkt des Raumes bestimmt werden kann. Die Richtung des elektrischen Feldes wird mit einem sogenannten Vektorpfeil grafisch dargestellt. Die Feldstärke E des elektrischen Feldes um eine Ladung Q ist per Definition der Quotient aus der Kraft F, die das Feld um eine Ladung q ausübt. Die Gleichung der elektrischen Feldstärke ist

  • E=F/q

Da die Stromrichtung von der positiven zur negativen Ladung geht, wird der Feldvektor stets in Richtung dieses Stromflusses weisen. Definiert das Coulombsche Gesetz lediglich die Wechselwirkung zwischen zwei Ladungen, beschreibt die Feldstärke die Kräfte, die von deren Wechselwirkungen über den Raum vermittelt wird.

Welche Kraft geht von der elektrischen Feldstärke aus?

Kräfte sind physikalische Grössen in der Natur, die gerichtet sind. Der von Isaac Newton eingeführte Kraftbegriff ist eine zeitliche Veränderung des Impulses, also des Bewegungszustandes eines Körpers. Die durch die Wechselwirkung von Körpern hervorgerufenen Reaktionskräfte sind gleich und entgegengerichtet. Im Wesentlichen sind Kraftwirkungen auf die vier fundamentalen Wechselwirkungen rückführbar, die die Klasse der „Grundkräfte der Physik“ ausmachen. Das sind:

  • Gravitationskraft (Massenanziehung oder Schwerkraft)
  • elektromagnetische Kraft
  • schwache Kernkraft
  • starke Kernkraft

Bei der elektrischen Feldstärke handelt es sich somit um eine elektrische Zustandsgrösse, die im Zusammenhang mit elektrischen Feldern auftritt und zur Anziehung oder Abstossung von Ladungsträgern führen kann.

Was sind Ladungen und wie werden sie definiert?

Eine elektrische Ladung ist eine Ladungsmenge mit dem Formelzeichen Q und eine physikalische Grösse der Materie, die die Einheit Coulomb trägt. Die Einheit Coulomb (C) wiederum ist das Produkt aus der Stromstärke A in Ampere pro Zeit und Sekunde. Eine Ladung ist stets das Vielfache seiner Elementarladungen, das heisst, die Summe aus den negativen Ladungsträgern (Elektronen) beziehungsweise den positiven Ladungsträgern (Protonen). Bei einem Atom werden demnach immer alle einzelnen Ladungsträger addiert und ergeben eine einzelne Ladungsmenge. Wird aus einem Element beziehungsweise einem Atom ein Elektron entfernt, so wird dieses zu einem Kation, einem positiv geladenen Teilchen. Im umgekehrten Fall entsteht ein Anion, also ein negativ geladenes Teilchen.

Was sind elektrische Felder und wie entstehen Feldlinien?

Ein elektrisches Feld wird bereits durch eine einzelne Ladung Q im Raum erzeugt. Wird in die Nähe dieser Ladung Q eine weitere Ladung q gebracht, überlagern sich beide Felder und üben eine gegenseitige Kraftwirkung aus, die Coulombkraft. Ein zeitlich konstantes Feld wird elektrostatisches Feld genannt. Die Kraftlinien, die von einer einzelnen Ladung erzeugt werden, können grafisch durch Feldlinien dargestellt werden. Bei einem positiv geladenen Teilchen gehen die Vektoren der Feldlinien vom Ladungsträger weg, bei einem negativ geladenen Teilchen weisen diese zum Ladungsträger hin. Der Feldlinienverlauf zwischen einem positiv und einem negativ geladenen Teilchen geht somit immer in Richtung des negativen Ladungsträgers. Die Felder mehrerer Ladungen überlagern sich, sodass sich die Feldstärken in jedem Punkt des Raumes vektoriell addieren.

Was ist der Unterschied zwischen einem elektrischen und einem magnetischen Feld?

Ein Magnetfeld ist eine physikalische Grösse der Elektrodynamik. Im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien sind die Feldlinien magnetischer Felder geschlossen, da es keine magnetischen Ladungsträger gibt. Magnetische Körper werden Dipole genannt. Diese Dipole erzeugen eine magnetische Flussdichte B, die äquivalent zur elektrischen Flussdichte D eine gerichtete Grösse, also ein Vektor ist. Das Verhältnis der elektrischen Flussdichte zur elektrischen Ladungsstärke im Vakuum wird durch die elektrische Feldkonstante angegeben, einem Proportionalitätsfaktor. Das gilt dies ebenfalls für die magnetische Feldkonstante im Vakuum, die das Verhältnis zwischen magnetischer Flussdichte und magnetischer Feldstärke beschreibt.

Wie misst man die elektrische Feldstärke in der Physik?

Die elektrische Feldstärke kann mit einem sogenannten Elektrofeldmeter gemessen werden. Dieses Gerät kann bei entsprechend vordefinierter Messentfernung die Spannung messen, ohne dem zu messenden Objekt Energie zu entziehen. Der Elektrofeldmeter besteht aus:

  • Sensorelektrode
  • Spannungsverfolger
  • Ladungsverstärker
  • Gehäuse und Display

Was ist ein Kondensator und wie erzeugt er ein elektrisches Feld?

Im Gegensatz zu einer Punktladung, die die Feldlinien in alle Richtungen abstrahlt oder anzieht, verteilen sich die Feldlinien bei einem Plattenkondensator parallel und senkrecht zur Metalloberfläche. Ein Kondensator wird aus zwei gleich grossen, gegeneinander isolierten Metallplatten gebildet. Bringt man zwischen ihnen in einem bestimmten Abstand voneinander eine Spannung U an, entsteht ein elektrisches Feld im Raum zwischen den Platten. Die Feldstärke E des Kondensators mit der Ladung Q ist der Quotient aus der angelegten Spannung sowie dem Plattenabstand d. Daraus folgt:

  • E=U/d

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