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Ladung / Felder

Ein elektrisches Feld ist das physikalische Feld, das jede elektrische Ladung umgibt und auf alle anderen Ladungen im Feld eine Kraft ausübt, die sie entweder anzieht oder abstößt. Elektrische Felder entstehen durch elektrische Ladungen oder durch zeitlich veränderliche Magnetfelder. Elektrische Felder und magnetische Felder sind beide Manifestationen der elektromagnetischen Kraft, einer der vier Grundkräfte (oder Wechselwirkungen) in der Physik.

Elektrische Felder sind in vielen Bereichen der Physik wichtig und werden in der Elektrotechnik praktisch genutzt. In der Atomphysik und -chemie beispielsweise ist das elektrische Feld die Anziehungskraft, die den Atomkern und die Elektronen in Atomen zusammenhält. Es ist auch die Kraft, die für die chemische Bindung zwischen Atomen verantwortlich ist, die zu Molekülen führt. Andere Anwendungen elektrischer Felder umfassen die Bewegungserkennung über die Annäherungserfassung elektrischer Felder und eine zunehmende Anzahl diagnostischer und therapeutischer medizinischer Anwendungen. Das elektrische Feld wird mathematisch als ein Vektorfeld definiert, das jedem Punkt im Raum die als Coulomb bezeichnete Kraft pro Ladungseinheit zuordnet. Die abgeleiteten SI-Einheiten für das elektrische Feld sind Volt pro Meter (V / m), was genau Newton pro Coulomb (N / C) entspricht.

Elektrische Felder werden durch elektrische Ladungen verursacht, die durch das Gaußsche Gesetz beschrieben werden, und durch zeitlich veränderliche Magnetfelder, die durch das Faradaysche Induktionsgesetz beschrieben werden. Zusammen reichen diese Gesetze aus, um das Verhalten des elektrischen Feldes zu definieren. Da das Magnetfeld jedoch als Funktion des elektrischen Feldes beschrieben wird, sind die Gleichungen beider Felder gekoppelt und bilden zusammen Maxwell-Gleichungen, die beide Felder als Funktion von Ladungen und Strömen beschreiben.

Coulomb Gesetz

Ein elektrisches Feld ist ein Vektorfeld, das jedem Punkt im Raum den Vektor E zuordnet. Die Stärke und Richtung der Coulomb-Kraft F auf eine Ladung qt hängt vom elektrischen Feld E ab, das durch andere Ladungen erzeugt wird, in denen es sich befindet, so dass F = qtE ist. Im einfachsten Fall wird davon ausgegangen, dass das Feld nur durch eine einzelne Quellenpunktladung erzeugt wird. Allgemeiner kann das Feld durch eine Verteilung von Ladungen erzeugt werden, die durch das Prinzip der Überlagerung zum Gesamtwert beitragen. Wenn das Feld durch eine positive Quellpunktladung q erzeugt wird, zeigt die Richtung des elektrischen Feldes entlang radial nach außen gerichteter Feldlinien, dh in die Richtung, in die eine positive Punktladung qt sich bewegen würde, wenn sie in das Feld eingefügt wäre. Bei einer negativen Punktquellenladung ist die Richtung der Feldlinien radial nach innen. Die Größe des elektrischen Feldes E kann aus dem Coulombschen Gesetz abgeleitet werden. Durch Auswahl einer der Punktladungen als Quelle und der anderen als Vergleichsladung folgt aus dem Coulombschen Gesetz, dass die Größe des elektrischen Feldes E, das durch eine einzelne Quellpunktladung Q in einem bestimmten Abstand von ihr erzeugt wird, im Vakuum gegeben ist durch:

E = k_e × (q ⁄ r²)

Das Coulombsche Gesetz gilt sogar innerhalb von Atomen und beschreibt die Kraft zwischen dem positiv geladenen Atomkern und jedem der negativ geladenen Elektronen korrekt.

Quizfragen zum Thema

1. Eine positiv geladene Kugel mit der Ladung q=10 nC befindet sich in einem homogenen elektrischen Feld der Stärke E=10 kN/C.
   
   Berechne den Betrag der auf die Kugel wirkende Kraft?

   F = E × q
   F = 10 kN / C × 10 nC
   F = 10 × 10³ N/C × 10 × 10^-9C
   F = 100 × 10^-6 N
   F = 1 × 10^-4N
   

2. Ein Kügelchen (m=50 g) trägt die Ladung q=10 nC und hängt an einem Faden der Länge l=1 m. Das Kügelchen befindet sich im homogenen Feld eines Plattenkondensators mit dem Plattenabstand d=10 cm. Zwischen den Kondensatorplatten liegt eine Spannung von U=150 V an.
   
   Bestimme die Stärke des homogenen elektrischen Feldes?

   E = 150V ÷ 0,1m

   E = 1500 V/m

3. Beschreibe einen Prozess, mit dem freie Elektronen erzeugt werden können. Die erzeugten Elektronen werden durch eine Spannung von 2 kV beschleunigt

   Freie Elektronen könne z.B. durch den glühelektrischen Effekt erzeugt werden. Durch das Anlegen einer sogenannten Heizspannung an einen dünnen Metalldraht (der Glühwendel einer Glühlampe) bekommen die Elektronen im Draht kinetische Energie, die sie durch elastische Stöße mit den Rumpfatomen wieder abgeben. Durch die Stöße wird der Draht stark erwärmt; er fängt an zu glühen. Starke Erwärmung bedeutet, dass die Rumpfatome in starke Schwingungen versetzt werden. Durch diese Schwingungen stoßen sie auch gegen die sich bewegenden Elektronen, die aufgrund des zusätzlichen Impulses genügend Energie besitzen, um den Metallverband zu verlassen.

4. Welche Kräfte wirken auf die Elektronen aus der vorherigen Aufgabe?

   Auf die Elektronen wirken zwei Kräfte: erstens die Coulombkraft durch das homogene elektrische Feld und zweitens die Gewichtskraft durch die Gravitation.

5. Was ist das Gaußsche Gesetz?

   Der Satz oder das Gesetz von Carl Friedrich Gauß, einem deutschen Mathematiker des 19. Jahrhunderts, beschreibt in der Elektrodynamik und der Elektrostatik den elektrischen Fluss durch geschlossene Flächen sowie den Fluss eines gravitativen Beschleunigungsfeldes.

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