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Das elektrische Feld

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Das elektrische Feld

Ein elektrisches Feld beschreibt einen bestimmten Zustand um einen geladenen Körper herum. Auf diesen Körper, der sich in einem elektrischen Feld befindet, wirkt eine bestimmte Kraft. In diesem Artikel erklären wir dir, was das elektrische Feld ist, wie man es identifizieren und berechnen kann und wie man sich ein elektrisches Feld im Modell vorstellen kann.

Das elektrische Feld ist ein Themenbereich des Faches Physik. Viel Spaß beim Lernen!

Was ist ein Feld?

In der Physik versteht man unter dem Begriff “Feld” keine Ackerfläche oder etwas, was du direkt sehen kannst.

Vielmehr versteht man in der Physik unter einem Feld einen Raum, in dem sich ein Körper z.B. ein Atom befindet.

Dabei kann zwischen folgenden Feldern unterscheiden werden:

Mit Hilfe eines elektrischen Feldes kann erklärt werden,

  • Wie die elektrische Energie übertragen werden kann
  • Wie elektronische Schaltungen funktionieren
  • Wie die Gestalt der Materie beeinflusst werden kann
  • Wie sich Licht- und Funkwellen ausbreiten

Elektroskop

Um ein elektrisches Feld zunächst einmal ausfindig zu machen, kann ein Elektroskop verwendet werden. Das Elektroskop funktioniert dabei wie ein Magnet. Denn die Grundannahme dabei ist, dass sich gleichartige geladene Körper abstoßen. Dadurch kann nachgewiesen werden, ob ein Körper elektrisch geladen ist.

Quelle: www.leifiphysik.de

  • Schwarze Stab oben rechts = Körper
  • Kreisförmiges Gerät = Elektroskop

Der gelb markierte Stab reagiert auf den Körper, wenn der Körper elektrisch geladen ist.

Doch wie genau kann das elektrische Feld beschrieben werden?

Was ist ein Vektorfeld?

Mit Hilfe eines Vektorfelds der elektrischen Feldstärke, lässt sich das elektrische Feld bestimmen. Dabei dient das Vektorfeld dazu die Kraftwirkung auf Ladungen zu beschreiben und zwar unter der Bedingung von Raum und Zeit.

Die mathematische Formel sieht wie folgt aus:

  • X beschreibt den Ort
  • Q beschreibt den Körper, auf welchem die Kraft ausgeübt wird
  • F beschreibt die auswirkende Kraft auf den Körper
  • E (x) beschreibt die elektrische Feldstärke

Die Coulombkraft einfach erklärt

Wie wir bereits wissen, wirkt auf das elektrische Feld eine bestimmte Kraft ein. Diese wird auch als Coulombkraft bezeichnet. Sie stammt von dem sogenannten Coulombschen Gesetz oder auch Coulomb-Gesetz. Dieses ist die Basis für die Elektrostatik, also alles was mit elektrischen Feldern und geladenen Körpern zu tun hat. Es beschreibt insbesondere die zwischen zwei Punktladungen wirkende Kraft.

Feldlinien

Mit Hilfe von Feldlinienbildern, kann das elektrische Feld veranschaulicht werden. Dabei gilt zu beachten, dass

  • Die Feldlinien an positiven Ladungen beginnen
  • Die Feldlinien an negativen Ladungen enden
  • Eine Veränderung sorgt für ein elektrisches Wirbelfeld:

Quelle: www.hu-berlin.de

Es gibt kein pauschales Feldlinienbild für genau ein elektrisches Feld. Da sich Ladungen unterschiedlich verhalten können, werden die Felder in unterschiedliche Kategorien unterteilt. Zu den bekanntesten gehören die

  • Punktladung (links = positive Ladung, rechts = negative Ladung)

Quelle: www.leifiphysik.de

  • Linienladung

Quelle: www. Physik.cosmos-indirekt.de

  • Flächenladung

Quelle: www. Physik.cosmos-indirekt.de

Elektrisches Verhalten

Elektrische Ladungen können auf zwei Ebenen betrachtet werden. Unterschieden wird dabei zwischen der Elektrostatik und der Elektrodynamik.

Die Elektrostatik ist gekennzeichnet durch:

  • Ruhende Ladungen
  • Keine Strömungen -> Kein Magnetfeld
  • Stationär (zeitlich unveränderbar)
  • Rotationsfrei (keine Wirbelbewegungen)

Dahingegen weist die Elektrodynamik folgende Merkmale auf:

  • Zeitlich veränderbar -> Bewegung der elektrischen Felder
  • Einfluss durch Magnetfelder wie z.B. elektromagnetische Wellen (Licht)

Leiter des elektrischen Felds

Ein elektrisches Feld ist nicht immer ein statisches Feld, also ein Feld in welchem alle Komponenten konstant sind und unveränderbar. Vielmehr stehen die einzelnen Körper und Kräfte in Bewegung. Durch einen Konduktor, oder auch Leiter genannt, können sowohl Energie als auch Teilchen zwischen unterschiedlichen Orten transportiert werden.

Leiter gibt es für:

  • Strom
  • Wärme
  • Licht
  • Magnetismus

Das Magnetfeld ist dabei wahrscheinlich das Bekannteste. Durch zwei Leiter in Form von Magnetstäben, könnt ihr das unsichtbare Magnetfeld und die darauf einwirkende Kraft spüren. Entweder stoßen sich die Stäbe ab, oder sie ziehen sich an. Beides geschieht aufgrund der einwirkenden elektrischen Kraft. Ein Stoff der jedoch nicht leitet, wird auch Isolator genannt.

Influenz

Bei dem Transport in einem elektrischen Feld, spielt die elektrostatische Induktion, auch bekannt als Influenz, eine wichtige Rolle. Durch sie ist eine Umverteilung von Ladungsträgern überhaupt erst möglich. Sie bezeichnet nämlich die Ladungstrennung innerhalb eines neutralen Leiters. Das bedeutet, dass wenn ein geladenes Objekt in die Nähe eines neutralen Leiters gelegt wird, trennen sich die positiven und negativen Ladungen an die jeweiligen Enden des Leiters. Genau dann spricht man von der Influenz.

Quelle: www.physikunterricht-online.de

Faradayscher Käfig

Die Funktion eines faradayschen Käfigs liegt hauptsächlich in seiner Abschirmwirkung. Es handelt sich hierbei um einen elektrischen Leiter, der jedoch von einer geschlossenen Hülle umgeben ist, welche wiederum nicht leitet. Durch diese Abschirmung, bleibt der innere Teil der Hülle unveränderbar, kann also dementsprechend auch nicht von der Influenz beeinflusst werden. Das elektrische Feld verschwindet somit nach außen hin.

Braunsche Röhre

Das Gegenteil des faradayschen Käfigs ist die braunsche Röhre. Diese schirmt nämlich ein elektrisches Feld nicht ab, sondern erzeugt in einer Elektronenröhre einen gebündelten Elektronenstrahl. Dieser Strahl wird kontrolliert auf das elektrische Feld gerichtet, welches wiederum den Strahl abstößt und in die gewünschte Richtung lenkt. Auf diese Weise konnte früher ein Bild bei Röhren-Fernsehern entstehen.

Quelle: www.physik4all.de

Millikan-Versuch

Der Millikan-Versuch ist ein Experiment zur Bestimmung der Elementarladung. Dabei wird beobachtet, wie sich kleine geladene Öltröpfchen, innerhalb eines elektrischen Feldes von einem Kondensator bewegen. Ein Kondensator ist ein Gefäß, welches elektrische Ladung speichern kann und anschließend zwischen zwei Platten ein elektrisches Feld erschaffen kann. Zur Bestimmung der Ladung wird das Verhalten der Öltröpfchen auf zwei Arten beobachtet.Relevant ist dabei:

  • Die Fallgeschwindigkeit
  • Die Steige-Geschwindigkeit

Alles Wichtige zum elektrischen Feld auf einen Blick!

  • Das elektrische Feld umgibt einen Körper
  • das elektrische Feld ist unsichtbar, kann aber durch ein Elektroskop erkannt werden
  • Außerdem lässt sich das elektrische Feld mithilfe einer Formel berechnen
  • es gibt verschiedene Erscheinungsformen (Punktladung) des elektrischen Feldes
  • Zustand ist entweder elektrostatisch oder elektrodynamisch
  • Mit Hilfe eines Leiters ist das elektrische Feld veränderbar
  • Elementarladung kann durch den Millikan-Versuch bestimmt werden

Finales Das elektrische Feld Quiz

Frage

Was besagt das Coulombgesetz?

Antwort anzeigen

Antwort

Es besagt, dass zwei punktförmige Ladungen entgegengesetzte Kräfte vom selben Betrag aufeinander auswirken.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt das Wechselwirkungsgesetz?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn zwei Körper Kräfte aufeinander auswirken, müssen diese immer entgegengesetzt wirken und haben dabei denselben Betrag.

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Punktladung?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Punktladung ist eine elektrische Ladung ohne räumliche Ausdehnung.

Frage anzeigen

Frage

Wovon hängt die Coulombkraft zwischen zwei Ladungen ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Von den Ladungen und von ihrem Abstand zueinander.

Frage anzeigen

Frage

Wovon hängt die Coulombkraft im Plattenkondensator ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Von der Spannung am Kondensator, dem Plattenabstand, der Ladung und dem Abstand zur negativen Platte.

Frage anzeigen

Frage

Wo liegt das Nullpotential im Plattenkondensator?

Antwort anzeigen

Antwort

An der negativ geladenen Platte.

Frage anzeigen

Frage

Welcher Zusammenhang besteht zwischen potentieller Energie und der Coulombkraft?

Antwort anzeigen

Antwort

Die potentielle Energie ist das Integral über den Radius r bzw. den Abstand x der Coulombkraft.

Frage anzeigen

Frage

Wie groß ist das Potential an der negativ geladenen Platte eines Plattenkondensators?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Potential dort ist Null. Die negative Platte ist das Nullniveau der potentiellen Energie.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie Du das elektrische Feld um eine geladene Metallkugel herum annähern kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

In großen Abständen verhält sich das Feld einer geladenen Metallkugel mit der Gesamtladung Q wie das Feld einer einzelnen Probeladung mit dem Wert q.

Frage anzeigen

Frage

Gib das Formelzeichen der elektrischen Feldenergie an.

Antwort anzeigen

Antwort

Eel

Frage anzeigen

Frage

In welcher Einheit kann die elektrische Energie neben dem Joule noch angegeben werden?

Antwort anzeigen

Antwort

In Wattsekunden Ws

Frage anzeigen

Frage

Erkläre die Bedeutung der elektrischen Feldenergie, wenn Du zwei gleichnamige Ladungen zusammenbringst.

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn Du die gleichnamigen Ladungen näher aneinander bringst, werden sie durch das elektrische Feld abgebremst. Dabei wird ihre kinetische Energie zunächst als elektrische Feldenergie gespeichert. Wenn das Feld die Ladungen wieder auseinanderzieht, wird diese Energie in kinetische Energie der Ladungen umgewandelt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Kraft, gegen die Arbeit verrichtet wird, um zwei Ladungen von einander zu trennen bzw. einander näher zu bringen?

Antwort anzeigen

Antwort

Gegen die Coulombkraft.

Frage anzeigen

Frage

Wer erfand die Braunsche Röhre und wann?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Braunsche Röhre von Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) im Jahr 1897 erfunden. 

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Komponenten besteht die Braunsche Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Braunsche Röhre besteht aus Glühkathode, Wehneltzylinder, Anode, Ablenkplatten und Leuchtschirm.

Frage anzeigen

Frage

Wie werden die Elektronen für den Elektronenstrahl in der Brauschen Röhre erzeugt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Glühkathode ist ein Draht, an dem eine Heizspannung anliegt. Diese Spannung ist hoch genug, dass sich der Draht durch seinen Eigenwiderstand erwärmt. Der Draht wird so heiß, dass durch den glühelektrischen Effekt Elektronen aus der Heizwendel austreten können. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Aufgabe hat der Wehneltzylinder?

Antwort anzeigen

Antwort

 Am Wehneltzylinder liegt eine relativ zur Glühkathode negative Spannung an. Da der Zylinder die Kathode umgibt, werden die ausgetretenen Elektronen von ihm gebündelt und treten rechts durch ein Loch aus. 


Je nach anliegender negativer Spannung werden die Elektronen mehr oder weniger stark gebündelt. Damit lässt sich die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des Bildpunktes am Bildschirm steuern.  

Frage anzeigen

Frage

Wofür liegt an der Anode eine Anodenspannung an?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Anode hat die Aufgabe, die aus dem Wehneltzylinder ausgetretenen Elektronen, in Richtung Bildschirm zu beschleunigen.


Da die im Anodenspannung im Vergleich zum Wehneltzylinder positiv ist, werden die Elektronen angezogen und bis hin zur Anode beschleunigt.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Elektronenstrahl abgelegt um Bilder zu erzeugen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ablenkung wird durch elektromagnetische Felder zwischen den Ablenkplatten erzeugt.  

Frage anzeigen

Frage

An welchen Teil der Braunsche Röhre kannst du das Bild betrachen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Am Leuchtschirm.

Frage anzeigen

Frage

In welchen Geräten findest Du die Braunsche Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

 In alten analogen Oszilloskopen und Fernsehern ist die Brausche Röhre als Bildschirm verbaut.

Frage anzeigen

Frage

Wie viele Paare Ablenkplatten benötigst Du für die Braunsche Röhre im Oszilloskop?

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Antwort

Zwei Paare, eines für das Spannungsignal und ein für die zeitliche Ablenkung.

Frage anzeigen

Frage

Warum ist die Anodenspannung positiv im Vergleich zum Wehneltzylinder?

Antwort anzeigen

Antwort

Da diese Spannung im Vergleich zum Wehneltzylinder positiv ist, werden die Elektronen angezogen und bis hin zur Anode beschleunigt.

Frage anzeigen

Frage

Warum herrscht ein Vakuum in der  Braunschen Röhre?

Antwort anzeigen

Antwort

Dies ist nötig, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Gasmolekülen der Luft kollidieren, was den Strahl abschwächen würde.  

Frage anzeigen

Frage

Erläutere, wie die elektrische Energie im Feld eines Kondensators gespeichert wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Kondensator wird durch eine extern angelegte Spannung aufgeladen. Je nach Kondensatorkapazität werden dabei Ladungen auf die Kondensatorplatten aufgetragen und es bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Platten aus.


Um die Ladung auf die Kondensatorplatten zu bringen, muss elektrische Arbeit verrichtet werden. Diese wird dann in Form von elektrischer Energie im elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten gespeichert .

Frage anzeigen

Frage

Erläutere den Zusammenhang zwischen Energie und Arbeit.

Antwort anzeigen

Antwort

Sobald Du Arbeit an einem Körper verrichtest, ändert sich seine Energie. Dabei ändert sich auch Deine Energie. Damit ist die verrichtete Arbeit gleich der Energieänderung.
Frage anzeigen

Frage

Nenne die Kräfte zwischen zwei ruhenden und bewegten Ladungen.

Antwort anzeigen

Antwort

Zwischen zwei ruhenden Ladungen wirkt die Coloumbkraft. Auf bewegte Ladungen wirkt zusätzlich die Lorentzkraft.

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, was zutrifft.

Antwort anzeigen

Antwort

Die elektrische Feldenergie sinkt, wenn Du zwei entgegengesetzt geladene Teilchen näher zusammenbringst.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Definition der potentiellen Energie.

Antwort anzeigen

Antwort

Die potentielle Energie entspricht der Arbeit, die verrichtet werden muss, um einen Körper von einem beliebigen Punkt zu einem anderen Punkt zu bewegen.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Größe der elektrischen Feldstärke E.

Antwort anzeigen

Antwort

Die elektrische Feldstärke E beschreibt die Fähigkeit eines elektrischen Feldes, eine Kraft auf Ladungen, die sich im elektrischen Feld befinden, auszuüben.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was sich mithilfe des elektrischen Potentials für jeden Raumpunkt berechnen lässt.

Antwort anzeigen

Antwort

Mit dem elektrischen Potential lässt sich für jeden Raumpunkt ausrechnen, wie groß die Arbeit ist, die nötig ist, um eine Ladung von einem Punkt zu diesen Raumpunkt zu bewegen.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was eine äquivalente Angabe innerhalb eines Stromkreises für eine Potentialdifferenz ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Spannung zwischen zwei Punkten A und B ist die Differenz der Potentialwerte φA und φB.

Frage anzeigen

Frage

Begründe, warum das Potential nur vom Ort einer Ladung abhängt und nicht vom zurückgelegtem Weg.

Antwort anzeigen

Antwort

Die potentielle Energie hängt vom Ort ab, und nicht von dem Verlauf des zurückgelegten Weges von einem Punkt zum anderen. Eine Funktion, die eben diese Ortsabhängigkeit der potentiellen Energie beschreibt, wird als Potential bezeichnet.

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