Das elektrische Feld

Sammlung von Physik Applets

Elektrischen Kräfte können über große Distanzen wirken. Aber wie werden diese Kräfte übertragen?. Früher ging man davon aus, dass der Raum von einem gasähnlichen Stoff, dem Äther, erfüllt ist. Dieser vermittelt die Kraft in Form von Wirbeln. Diese Vorstellung kann aber durch Experimente leicht widerlegt werden.
Die Quantenmechanik beschreibt heute die Kraftübertragung mit Photonen. 
Wenn man sich nicht zu sehr um die Art der Kraftübertragung kümmert, sondern nur die Wirkung der elektrischen Kräfte wissen will, ist das elektrische Feld ein gutes Modell. (Der Feldbegriff wurde von Michael Faraday eingeführt).

Jede Ladung umgibt sich mit einem elektrischen Feld. Wird eine weitere Ladung in dieses Feld gebracht, spürt diese eine Kraft. Jeder Raumpunkt enthält also Information über die Kraft auf geladene Körper.

F/q ist unabhängig von der Probeladung aber abhängig von der Stärke des Feldes. Man kann also mittels einer Probeladung den ganzen Raum abtasten und feststellen, welche Kraft dort wirkt. An jedem Ort kann man dementsprechend einen Vektor E antragen.

Die elektrische Feldstärke im Punkt P ist ein Vektor mit der Richtung der Kraft auf eine positive Probeladung (qTest) im Punkt P  und dem Betrag E = F/qTest Die Einheit des elektrischen Feldes ist N/C (später auch: V/m).

Probeladung: Ladung, die in das elektrische Feld eingebracht wird, um die elektrische Feldstärke nach Betrag und Richtung zu bestimmen. Die Ladung soll so klein sein, dass sie das zu messende ursprüngliche Feld nur geringfügig stört. In der Theorie kann man die Probeladung beliebig klein werden lassen, auch wenn eine physikalische untere Grenze, die Elementarladung existiert.

In einem elektrischen Feld wirkt auf jede elektrische Ladung Q eine Kraft F = Q·E. Ist die zweite Ladung frei beweglich, wird sie durch die wirkende Kraft verschoben.

Darstellungsmöglichkeiten

Das elektrische Feld kann graphisch durch die Angabe von Vektorpfeilen an verschiedenen Punkten veranschaulicht werden

Vektorfeld: Kraftvektor auf kleine positive Probeladung

In vielen Diagrammen wird die Stärke des Feldes nicht durch die Länge der Pfeile, sondern durch Farbe dargestellt.

Hier das Feld von zwei entgegengesetzten Punktladungen (Dipol).

Felder von verschiedenen Quellen addieren sich vektoriell!

Betrachtet man obiges Bild, so ist es sehr verlockend die Vektoren durch Linien zu verbinden. Dies führt zu einer anderen Darstellungsmöglichkeit, den sogenannten elektrischen Feldlinien. Sie werden so gezeichnet, dass die Feldstärkevektoren Tangenten an die Feldlinien sind

Elektrische Feldlinien einer Anordnung von zwei entgegengesetzten Punktladungen (Dipol).

Eigenschaften von Feldlinien:

• Kraftvektoren (Feldstärkevektoren) sind Tangenten  an die Feldlinien
• von + nach -: Die Richtung der Feldlinien in einem Punkt entspricht der Richtung der elektrischen Feldstärke, d.h. der Kraftwirkung auf eine positive Ladung in diesem Punkt. Feldlinien gehen von positiven Ladungen aus und laufen auf negative Ladungen zu. Die Richtungsdefinition ist willkürlich.
• Keine Überschneidung: Linien können sich nicht kreuzen, denn in jedem Raumpunkt gibt es nur einen Kraftvektor (nur eine Tangente)
• Es gibt unendlich viele Feldlinien. Zeichnen kann man aber nur eine begrenzte Anzahl und so wählt man eine zur Größe der Ladung proportionale Anzahl der Feldlinien (Ihre Flächendichte= Zahl der Feldlinien pro Flächeneinheit ist auf der Kugel konstant). Je dichter die Feldlinien, desto stärker ist dort die Kraftwirkung.
• Es gibt in der Elektrostatik keine in sich geschlossenen elektrischen Feldlinien. (Widerspräche dem Energiesatz- eine Probeladung würde bei Umläufen in Kraftrichtung längs einer geschlossenen Feldlinie  Energie gleichsam aus dem Nichts gewinnen)
• Um eine einzelne Punktladung herum sind die Feldlinien kugelsymmetrisch verteilt.
• In großer Entfernung wirkt ein System von Ladungen wie eine einzige Punktladung, deren Größe der Gesamtladung des Systems entspricht.

Feldlinienbild einer positiven Punktladung

Feldlinienbild einer negativen Punktladung

Punktladung: Ladung, deren räumliche Ausdehnung infinitesimal klein ist

Beispiele:

Was sagt das  Feldlinienbild über die beiden Ladungen A und B aus? ? Die Feldlinien gehen von plus (Ladung B) nach minus (Ladung A). d.h. A ist negativ und B ist positiv geladen. Gleich stark geladen

Sammlung von 7 Java Physlets zum Thema Ladungen und elektrisches Feld

Elektrisches Feld von beliebig vielen Ladungen

Die Parallelen zwischen Gravitationsfeld und Coulombfeld