Elektrische Felder

• Sie kennen das Feldmodell und können seine Eigenschaften aufzählen
• Sie sind in der Lage, von einfachen Ladungsanordnungen das Feldlinienbild zu zeichnen
• Sie wissen, was mit der elektrischen Feldstärke gemeint ist und können deren Betrag in einem Feldlinienbild abschätzen
• Sie kennen zudem das elektrische Potential sowie den Begriff Spannung und wenden diese in Feldlinienbildern korrekt an

Wenn ein Fischer einen Fisch aus dem Wasser zieht, ist offensichtlich, wie die Kraft von der Kurbel der Angelrute auf den Haken im Mund des Fisches übertragen wird: durch die Angelschnur (Silch).

Wenn zwei Körper sich gegenseitig aufgrund ihrer Masse (Gravitationskraft) oder ihrer Ladung (Coulomb-Kraft) anziehen, gibt es nichts zwischen den Körpern, das diese Kräfte übertragen würde. An Ihnen hängt beispielsweise kein Faden, der Sie mit dem Schwerpunkt der Erde verbinden würde.

Deshalb hat sich Herr Faraday die Umgebung einer Ladung, also den Raum, in dem sich die Ladung befindet, als Mittler für die Coulomb-Kräfte vorgestellt. Er nannte diesen Raum elektrisches Feld.

Analog dazu, kann man für Gravitationskräfte das Schwere- oder Gravitationsfeld definieren.

Es gibt 2 Arten von Feldern:

• gerichtete Felder (Vektorfeld; Bsp.: Schwerefeld, elektrisches Feld, Magnetfeld) und
• ungerichtete Felder (skalares Feld; Bsp.: Temperaturfeld)

Bei einem skalaren Feld werden die Flächen gleicher Masszahl (Bsp.: bei der Temperatur 20°C) sichtbar hervorgehoben. Bei einem Vektorfeld werden die sog. Feldlinien gezeichnet. Diese entsprechen der Flugbahn eines Probekörpers. Beim elektrischen Feld wäre dies die Flugbahn eines positiv geladenen Probekörpers.

Bei den Vektorfeldern wird indirekt auch die Feldstärke sichtbar. Dann, wenn die Feldlinien nahe beisammen liegen, ist das Feld stark und es herrschen beispielsweise grosse Kräfte.

Elektrische Felder kann man mit folgendem Gries-Öl-Experiment sichtbar machen. Die Grieskörner werden im elektrischen Feld influenziert und ziehen sich gegenseitig an. Falls Sie Geduld haben, können Sie das angehängte YouTube-Video anschauen:

Sie haben im Film Feldlinienbilder für verschiedene Anordnungen gesehen. Folgende sind wichtig und Sie sollten Sie sich merken:

Das elektrische Feld einer Punktladung ist radialsymmetrisch:

Beachten Sie die Richtungspfeile auf den Feldlinien. Weil sie die Flugrichtung einer positiven Probeladung angeben, zeigen Sie zur negativen Ladung hin bzw. von einer positiven Ladung weg. Sie könnten also angeben, welche Ladung sich in der Mitte befindet, wenn die Ladung nicht angeschrieben und nur die Feldlinien eingezeichnet wären. In der Nähe der Punktladung ist das Feld stärker, das sieht man am Feldlinienbild sehr deutlich: Die einzelnen Feldlinien sind dort näher beisammen (grössere Feldliniendichte).

Das elektrische Feld zweier Punktladungen schaut wie folgt aus:

Am Feldlinienbild wird deutlich, dass das Feld zwischen den Ladungen besonders stark ist.

Wie sähe wohl das Feldlinienbild aus, wenn beide Ladungen das gleiche Vorzeichen tragen würden?

Sie können diese Situation mit der PhET-App nachstellen. Nehmen Sie beispielsweise 2 positive Ladungen (+1 nC) und platzieren Sie sie nebeneinander in einem mittleren Abstand zueinander (ca. ¼ der App-Breite). Nehmen Sie anschliessend die gelbe positive Probleladung (Sensoren) und starten an der «Oberfläche» einer der beiden Ladungen. Bewegen Sie diese Probeladung immer in Richtung des aktuell gezeichneten roten Pfeils. Ihre Probeladung folgt so einer Feldlinie. Finden Sie so heraus, wie das Feldlinienbild bei gleichem Vorzeichen ausschaut?

Falls Sie Spass an der App bekommen haben, können Sie auch untersuchen, was passiert, wenn beide Ladungen nicht gleich stark sind. Dafür legen Sie beispielsweise mehrere +1 nC - Ladungen übereinander. Wie änderst sich hier das Feldlinienbild?

Beim Plattenkondensator (zwei ausgedehnte, ungleichnamig aufgeladene Flächen) ist das elektrische Feld innerhalb der Platten fast homogen (überall gleich stark). Ausserhalb der Platten verschwindet das elektrische Feld praktisch.

Das Innere von leitenden Hohlräumen ist feldfrei. Im Innern gibt es keine Feldlinien!

Vielleicht haben Sie schon etwas über den Faraday-Käfig gehört. Die Hohlkugel ist ein einfacher Faradaykäfig. Weil keine elektrischen Felder hineindringen können, gehen auch keine elektromagnetischen Wellen (wie das Handy- oder Wifisignal) durch. Das wird teilweise in Kinos eingesetzt, um der lästigen Störung durch klingelnde Handys vorzubeugen.

Lebensrettender Hinweis: Ein Auto ist ein recht guter Faradaykäfig (nicht als Abschirmung gegen Handystrahlen aber wirkungsvoll gegen Blitzeinschläge). In einem Auto sind Sie deshalb vor Blitzen geschützt. Auch sollten Sie, nachdem Ihr Auto von einem Blitz im getroffen wurde, nicht aus dem Fahrzeug steigen. Wenn es dumm geht, entlädt sich die Ladung des Blitzes beim Aussteigen über Ihren Körper, was Sie ziemlich sicher umbringen wird. Bleiben Sie drin und alarmieren Sie die Feuerwehr. Sie kann die Ladung Ihres Autos ohne Personenschaden ableiten.

Elektrische Feldlinien verlassen leitende Oberflächen (meist Metalle) senkrecht. Sonst würde sich die Ladung bewegen, was bei der Elektrostatik aber nicht passieren darf.

Würde die Feldlinie die Oberfläche schief wie bei $-Q_1$ verlassen, gäbe es eine Kraft entlang der Ebene. Die Elektronen würden sich, da sie negativ geladen sind, nach unten bewegen. Da die Elektronen die Oberfläche nicht verlassen können, darf nur eine senkrechte Komponente wie bei $-Q_2$ und $-Q_3$ vorhanden sein, wenn an der Oberfläche keine Ladungsbewegung erfolgen soll.