ET4-03 – Elektrisches Feld – Feldstärke, Plattenkondensator, Beispiele

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker, was die elektrische Feldstärke auszeichnet und welchen Einfluss sie auf das Elektrische Feld hat. 

Für ein optimales Verständnis helfen dir drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET4-Elektrische Felder

 

Merk’s dir!

“Die elektrische Feldstärke ist ein Vektor, welcher in die Richtung der Kraft zeigt, die auf eine elektrische Ladung wirkt.”

 

Elektrische Feldstärke
Elektrische Feldstärke

 

Elektrische Feldstärke – Grundlagen

Du erinnerst dich?…

Wie du ja bereits weißt, ist jeder geladene Körper von einem elektrischen Feld umgeben.

 

Die elektrische Feldstärke ist eine physikalische Größe und beschreibt die Stärke und Richtung eines elektrischen Feldes. Man erhält Informationen darüber, wie stark das Feld eine Kraft auf die elektrischen Ladungen ausübt. Diese Größe ist also ein Maßstab für die Intensität des Feldes.

 

Merk’s dir!

Es besteht im betrachteten Punkt x eine Proportionalität zwischen Kraft und Ladung. Zudem verlaufen die Feldlinien immer von den positiven zu den negativen Ladungen unabhängig davon wo man sich im Feld befindet. 

Je nachdem wie dicht die Feldlinien verlaufen, fällt auch der Betrag der Feldstärke unterschiedlich stark aus. 

 

Darüber hinaus, solltest du dir merken, dass die Feldstärke E umso größer wird,

  • je größer die Ungleichheit der elektrischen Ladungen ist.

sowie

  • je größer die elektrische Spannung ist.

sowie

  • je geringer der Abstand zwischen den unterschiedlich geladenen Körpern ist.

 

Zudem solltest du dir bereits an dieser Stelle merken, dass eine Analogie zwischen elektrischer sowie magnetischer Feldstärke H besteht. 

 

Je nach Ausgangssituation können wir die Feldstärke unterschiedlich bestimmen. Wir unterscheiden hier zwei unterschiedliche Fälle

  1. Feldstärke im Normalfall (bspw. elektrischer Leiter)
  2. Feldstärke bei einem Plattenkondensator

 

Elektrische Feldstärke – Normalfall

Die elektrische Feldstärke \vec{E} steht im Zusammenhang mit der oben genannten Kraft \vec{F} und kann mit Hilfe der elektrischen Probeladung q als Formel dargestellt werden.

\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q} 

Kennzahlen:

\vec{E} = Feldstärke

sowie

\vec{F} = Kraft

sowie

q = elektrische Probeladung

 

Elektrische Feldstärke – Plattenkondensator

Alternativ lässt sich die Feldstärke auch, sofern uns ein Plattenkondensator vorliegt mit Hilfe der bestehenden Spannung U und dem Abstand der Platten zueinander l formal bestimmen. 

\vec{E} = \frac{U}{l}

Kennzahlen:

\vec{E} = Feldstärke

sowie

U = Spannung

sowie

l = Plattenabstand

 

Elektrische Feldstärke – Einheit

Die Feldstärke kann mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Einheiten angegeben werden:

 

Möglichkeit 1

Die Einheit der Feldstärke ergibt sich aus dem Quotienten von Volt und Meter.

|\vec{[E]}| = \frac{[U]}{[l]} = \frac{V}{m}

Kennzahlen:

V = Elektrische Einheit Volt

sowie

m = Physikalische Einheit Meter

 

Möglichkeit 2

Die Einheit der Feldstärke ergibt sich hier aus dem Quotienten von Kraft und Ladung. 

|\vec{[E]}| = \frac{[F]}{[q]} = \frac{N}{C}

Kennzahlen:

N = Physikalische Einheit Newton

sowie

C = Elektrische Einheit Coulomb

 

Merk’s dir!

Diese Angabe wirst du jedoch eher selten in Lehrbüchern findet, daher solltest du vorrangig die Möglichkeit 1 verwenden. 

 

Zwischenrechnungen

Müssen Zwischenrechnungen mit Größen anderer Einheiten durchgeführt werden, so kann die Feldstärke auch wie folgt angegeben werden:

\frac{N}{C} = \frac{J}{C\cdot m} = \frac{Ws}{As \cdot m} = \frac{VA \cdot s}{As \cdot m} = \frac{V}{m}

Kennzahlen:

N = Physikalische Einheit Newton

sowie

C = Elektrische Einheit Coulomb

sowie

J= Physikalische Einheit Joule

sowie

Ws = Elektrische Einheit Wattsekunde

sowie

AS = Elektrische Einheit Amperesekunde

sowie

VA = Elektrische Einheit Voltampere

sowie

VA = Physikalische Einheit Sekunde

sowie

V = Elektrische Einheit Volt

sowie

m = Physikalische Einheit Meter

 

Feldstärke – Beispiele

Nachfolgend findest du einen Überblick zu unterschiedlichen Bereichen in denen ein Elektrisches Feld auftritt sowie eine passende Angabe der zugehörigen elektrischen Feldstärke. 

Beispiele!

Atmosphäre : 100 - 200 \frac{V}{m}

sowie

Fernseher: 300 \frac{V}{m}

sowie

Durchschlagfestigkeit, Luft: 3 \frac{MV}{m}

sowie

Durchschlagfestigkeit, Glas: 300 \frac{MV}{m}

sowie

Durchschlagfestigkeit, PVC: 50 \frac{MV}{m}

sowie

Durchschlagfestigkeit, Papier: 10 \frac{MV}{m}

sowie

Kondensator: 100 - 200 \frac{V}{m}

sowie

Überlandleitungen (unmittelbare Nähe): 1000 \frac{V}{m}

sowie

Blitzeinschlag (kurz vor Einschlag): 1000 \frac{MV}{m}

 

Elektrisches Feld - Blitz
Elektrisches Feld – Blitz

 

Elektrische Feldstärke – Messung mit Messgeräten / Messmöglichkeiten

Wenn man die Größen aus den Berechnungsgleichungen oben kennt, so lässt sich damit auch problemlos die Feldstärke errechnen. Als Referenz nimmt man dazu einen schwach geladenen Probekörper mit geringen Maßen. Wäre die Ladung des Körpers höher, so käme es zu einer Veränderung der Feldstärke und somit zu einem verfälschten Messergebnis. 

Die Feldkraft F kann unter der Kenntnis der Ladung des Probekörpers im Vorfeld mit einem Federkraftmesser bestimmt werden. 

Merk’s dir!

Bei dieser Messvariante ist Genauigkeit das größte Gut und der Aufwand ist nicht unerheblich, denn nicht selten treten Nebeneffekte. So kann eine Influenz oder eine Induktion auftreten. Beide Phänomene thematisieren wir in einem späteren Kursabschnitt. 

 

Der eleganterer Weg zur Bestimmung der Feldstärke ist Influenzmessung, also die Messung mit Elektrofeldmetern. Nach diesem Prinzip führt man einen leitenden, aber zu Versuchsbeginn ungeladenen Körper in das elektrische Feld ein. Das Feld wirkt auf die beweglichen Ladungsträger des Körpers ein. Dies bewirkt eine Trennung der unterschiedlichen Ladungsträger je nach Vorzeichen.

Auf der einen Seite lagern sich die positiv geladenen Ladungsträgern an und auf der anderen Seite die negativ geladenen. Teilt man nun diesen Körper, so liegen anschließend zwei unterschiedliche Körper mit entgegengesetzter Ladung vor. Dieser durch eine Influenz erzeugte Zustand ist irreversible und fällt je nach Höhe der Feldstärke stärker oder schwächer aus. 

 

Merk’s dir!

Durch Messung der influenzierten Ladung der beiden Hälften kann man aus den ermittelten Werten der Ladungsmengen auf die elektrische Feldstärke schließen.   

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du jetzt die elektrische Feldstärke kennen gelernt hat, betrachten wir im nächsten Kurstext die elektrische Spannung im elektrischen Feld und erklären dir was du hierzu beachten musst.

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