Elektrische Feldstärke

Ob beim Kontaktlosen bezahlen mit der EC-Karte, beim Fernsehen oder wenn du etwas mit deinem Handy machst, elektrische Felder entstehen in vielen Bereichen im Alltag. Ohne ihre Hilfe wäre das und vieles mehr gar nicht möglich. Du könntest nicht einmal einen Anruf über dein Handy tätigen. Wie die elektrische Feldstärke dieser Felder aussieht und wie du diese berechnest, erfährst du in diesem Artikel.

Das elektrische Feld

Du weißt bereits, wie ein elektrisches Feld aussehen kann, deswegen können wir in diesem Artikel über die elektrische Feldstärke reden und darüber, wie du sie berechnen kannst. Trotzdem möchten wir die Grundlagen zum elektrischen Feld nochmal kurz zusammenfassen, da es für die Feldstärke wichtig ist zu wissen, wie das elektrische Feld aussieht.

Das elektrische Feld kommt in der Natur und der Elektrotechnik häufig vor und ist überall, wo es getrennte Ladung gibt.

Dieses Feld wird anhand von Feldlinien dargestellt, die von der positiven Ladung hin zur negativen Ladung gehen, wichtig dabei ist, dass die Feldlinien an der Oberfläche immer orthogonal zur Oberfläche sind. An ihnen kannst du erkennen, in welche Richtung und wie es auf eine Probeladung Q_P wirkt.

Diese Feldlinien kannst du überall da einzeichnen, wo Ladungen sind. Das hilft dir, das elektrische Feld und die Wirkung des Feldes auf Probeladungen besser zu verstehen. Bei elektrischen Feldern wird im Wesentlichen zwischen zwei verschiedenen Feldtypen unterschieden.

Wie so ein elektrisches Feld aussieht, was durch zwei unterschiedlich geladene Kondensatorplatten entsteht, siehst du in der folgenden Abbildung. Das in der Abbildung 1 entstandene Feld ist ein homogenes Feld. Du kannst sehen, dass die Feldlinien $\overrightarrow{E}$ von der Kondensatorplatte, die positiv geladen ist +Q hin zur negativ geladenen Kondensatorplatte -Q gehen. Die Kondensatorplatten sind hierbei gleichmäßig geladen und stehen im Abstand $\overrightarrow{d}$ zueinander.

Wenn du jetzt eine positive Probeladung in das elektrische Feld in Abbildung 1 zwischen den beiden Kondensatorplatten bewegen würdest, würde diese in Richtung der Feldlinien hin zur negativ geladenen Kondensatorplatte beschleunigt werden. Eine negative Probeladung würde in dem Feld in die andere Richtung, hin zur positiv geladenen Kondensatorplatte beschleunigt werden.

In Abbildung 2 siehst du, wie die Feldlinien bei inhomogenen elektrischen Feldern verlaufen können. Die Probeladungen werden tangential zu den Feldlinien beschleunigt.

Die elektrische Feldstärke – Formeln, Einheit & Definition

Die elektrische Feldstärke gibt es überall dort, wo es ein elektrisches Feld gibt. Wie stark dieses Feld Ladungen anzieht und abstößt und in welche Richtung, wird dann über die Feldstärke beschrieben und ist aus dem Coulombschen Gesetz hergeleitet.

Diese Gleichung gilt im Allgemeinen bei elektrischen Feldern. Wie die unterschiedlichen Feldstärken aussehen können, siehst du in der folgenden Abbildung. Dort sind zwei verschiedene Feldstärken abgebildet. Die Feldstärke mit der Bezeichnung Feldstärke 2 ist größer als die mit Feldstärke 1, was erkennbar an der Dichte der Pfeile zueinander ist.

Da du jetzt weißt, was die Feldstärke ist und wie sie dargestellt werden kann, erfährst du im nächsten Abschnitt, wie du eine Feldstärke wie du sie in Abbildung 3 sehen kannst berechnen kannst.

Berechnung der Feldstärke eines Plattenkondensators mit der Spannung

Bei dem elektrischen Feld, das vom Plattenkondensator erzeugt wird, kannst du die elektrische Feldstärke anhand der am Plattenkondensator angelegten Spannung U berechnen. Dies vereinfacht die Berechnung der elektrischen Feldstärke im Vergleich zu der im vorherigen Abschnitt angegebenen Formel sehr.

Dadurch, dass das Feld homogen ist, wird der Wert aus der oberen Formel überall zwischen den Kondensatorplatten gleich sein. Der Feldlinienverlauf sieht dann aus, wie in Abbildung 1. Wie eine Aufgabe dazu aussehen kann, siehst du im nächsten Beispiel.

Da du jetzt weißt, wie du die Feldstärke beim Plattenkondensator über die Spannung berechnest, lernst du im nächsten Abschnitt, wie du die Feldstärke bei einem Plattenkondensator durch einen Versuch messen könntest.

Messung der elektrischen Feldstärke anhand eines Versuchs

Du kannst die elektrische Feldstärke am Plattenkondensator messen, indem du einen Versuch durchführst. Bei diesem Versuch wird eine Kugel zwischen zwei Kondensatorplatten frei hängend befestigt. Diese Kugel fungiert als Probeladung und hat die Ladung $Q_P$. Wie der Versuchsaufbau bis zu diesem Punkt aussieht, siehst du in der folgenden Abbildung 4.

Wenn jetzt eine Spannung über den Kondensator anliegt, werden die Kondensatorplatten geladen und ein homogenes elektrisches Feld entsteht zwischen ihnen. Anhand des elektrischen Feldes wird die Kugel mit der Probeladung $Q_P$um $\alpha$ausgelenkt, wie du in der folgenden Abbildung 5 sehen kannst.

Die Kugel mit der Probeladung $Q_P$ besitzt eine Masse m. So hast du die Gewichtskraft $\overrightarrow{F_g}$ und die elektrische Kraft $\overrightarrow{F_{el}}$ durch das Feld, welche auf die Kugel wirken. Die beiden Kräfte ergeben zusammen die resultierende Kraft $\overrightarrow{F_r}$. So kannst du über die wirkenden Kräfte die elektrische Feldstärke des Feldes errechnen. Wie die auf die Kugel wirkende Kräfte aussehen, siehst du in der folgenden Abbildung 6.

So kannst du über die Winkelbeziehungen die Kraft, die auf die Probeladung wirkt, ausrechnen und diese in die Formel für die Berechnung der elektrischen Feldstärke einsetzen.

Jetzt weißt du, wie du die elektrische Feldstärke anhand eines Versuchsaufbaus messen kannst. Aber du willst die elektrische Feldstärke auch generell berechnen können. Wie du diese zwischen zwei Ladungen berechnen kannst, die im Raum verteilt sind, erfährst du im nächsten Abschnitt.

Elektrische Feldstärke im Raum

Bei elektrischen Feldern, die durch im Raum verteilte Ladungen erzeugt werden, wird die Feldstärke folgendermaßen berechnet.

Mithilfe dieser Formel kannst du die elektrische Feldstärke durch eine Ladung in einem gewissen Abstand zu dieser berechnen.