ET4-04 – Elektrisches Feld – Spannung

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Inhaltsverzeichnis:

In diesem Kurstext wenden wir uns der Spannung im elektrischen Feld zu und klären wie diese die elektrischen Feldstärke beeinflusst.

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!

Aus physikalischer Sicht ist die elektrische Spannung, die Fähigkeit Ladungen zu verschieben, so dass durch einen Ohm’schen Verbraucher ein elektrischer Strom fließt. Bei diesem Vorgang wird also eine Arbeit verrichtet.”

 

Spannung im elektrischen Feld
Spannung im elektrischen Feld

 

Spannung im elektrischen Feld – Grundlegendes

In Bezug auf die elektrische Spannung im elektrischen Feld lässt sich festhalten, dass die Spannung als Linienintegral der elektrischen Feldstärke in Längsrichtung eines festgelegten Weges von einem Punkt zu einem anderen Punkt mit unterschiedlichen Potential wirkt. Die Spannung ist ja im Grundsatz nichts anderes als ein Potentialunterschied von Ladungen, welches das elektrische Feld erzeugt.

“In den meisten Fällen werden elektrische Felder durch elektrische Teile oder Leitungen erzeugt, die eine Spannung führen.” 

 

Immer ist die Spannung Schuld…

Nach dem oben genannten Prinzip funktionieren übrigens auch Kondensatoren.

 

Die gleiche Relation gilt für die Elektrische Feldstärke E. Denn diese ist umso größer, je größer die elektrische Spannung im elektrischen Feld wirkt. 

 

Spannung im elektrischen Feld – Feldstärke – Formel

Die Gleichung zu Bestimmung der Feldstärke hast du ja bereits kennengelernt.

Hier gilt:

\text{Elektrische Feldstärke E} = \frac{\text{Elektrische Spannung U}}{\text{Abstand der Punkte l}}

 

mit Zeichen:

E = \frac{U}{l}

 

Wie du siehst, sorgt eine Erhöhung der Spannung bei gleichbleibenden Abstand für eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke. 

 

Ladung im elektrischen Feld – Durchschlagfestigkeit

Erreicht die elektrische Ladung einen zu großen Wert oder wird der Abstand zwischen den Ladungen zu stark reduziert, so kommt des zum Austausch von den zuvor getrennten Ladungen. Die freiwerdende Energie kann dabei derart groß werden, dass sie für uns bemerkbar wird, indem ein Lichtbogen entsteht oder es einfach nur laut knallt. 

 

Bitte nicht schlagen…

Um diesem Vorgang, den man Durchschlag nennt, entgegenzuwirken, wählt man Stoffe aus, die eine hohe Durchschlagfestigkeit besitzen.

 

Aber warum können wir das überhaupt wahrnehmen?

Die Antwort liegt in der Kollision von beschleunigten Elektronen und neutralen Atomen. Hier entstehen Elektronen und Ionen. 

Noch zu kompliziert? Dann schau dir einfach das nächste Schaubild an.

Spannung im elektrischen Feld
Spannung im elektrischen Feld

 

Bei der Kollision trennt das beschleunigte Elektron ein Elektron des neutralen Atoms aus der Elektronenhülle und das Atom bleibt als Ion zurück.

Der Effekt fällt umso stärker aus, wenn die Elektroden (wir haben sie bisher als Punkte bezeichnet) sehr dünn sind. Dann reicht schon eine Spannung von weniger als 1kV, damit ein Durchschlag (Funken) durch die Luft auftritt.

Die Ursache für diesen Effekt liegt wie so oft im elektrischen Feld, denn an den Spitzen ist dieses stark verdichtet. Dadurch kommt es schnell zu einer Ionisation. 

Auf dem Bild oben ist der Vorgang eingefangen. 

 

Maßnahmen gegen Durchschlag

In elektrischen Leitern kann man das elektrische Feld reduzieren, indem man eine metallische Ummantelung zur Abschirmung nutzt. Diese Abschirmung verbindet man einfach mit der Erde und so wird das elektrische Feld neutralisiert. Die Erdung ist besonders wichtig, denn dadurch kann ein Ladungsausgleich stattfinden. 

Erdkabel im Straßenbau
Erdkabel im Straßenbau

In der nächsten Abbildung siehst du wie sich dieser Effekt äußert.

 

Ummantelung einer Leitung
Ummantelung einer Leitung

 

Ohne Ummantelung und ohne Erdung wirkt das Feld auf die Umgebung ein. Auch bei einer vorhandenen Ummantelung wirkt das elektrische Feld weiterhin auf die Umgebung ein, wenn keine Erdung vorhanden ist. Erst mit dem Hinzufügen einer Erdung wird das Elektrische Feld eingedämmt. Man nennt die Umgebung daraufhin feldfrei.  

Was kommt als Nächstes?

Nachdem wir nun ausreichend über die Spannung im elektrischen Feld gesprochen haben gehen wir im nächsten Kurstext gemeinsam der Frage nach, welche Rolle die elektrische Feldkraft in diesem ganzen Spiel innehat.

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