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- Physik
- 4 Elektrizitätslehre
- 4.3 Elektrische und magnetische Felder
- 4.3.1 Das elektrische Feld
- Elektrische Feldstärke
Elektrische Feldstärke
Die elektrische Feldstärke ist ein Maß für die Intensität des elektrischen Feldes. Sie ist der Quotient aus der Kraft, die das Feld auf einen positiv geladenen Probekörper ausübt, und dessen Ladung.
Die elektrische Feldstärke ist eine vektorielle Größe. Charakterisiert man ein elektrisches Feld durch die Angabe seiner Feldstärke, ist daher neben dem Betrag auch stets die Wirkungsrichtung von Belang. Die Feldstärken mehrerer elektrischer Felder überlagern sich durch vektorielle Addition zu einer resultierenden Feldstärke.
Formelzeichen:
Einheiten: 1 Volt/Meter (1), 1 Newton/Coulomb
Jeder geladene Körper ist von einem elektrischen Feld umgeben. Bringt man einen weiteren geladenen Körper, einen sogenannten Probekörper, in dieses Feld, dann übt es eine Kraft auf ihn aus. Der Betrag dieser Kraft ist vom Abstand zur Feldquelle und von der Ladung Q des Probekörpers abhängig. Das elektrische Feld kann also unterschiedliche Stärken aufweisen.
Für die elektrische Feldstärke gilt:
Die elektrische Feldstärke ist der Quotient aus der Kraft, die das Feld auf einen positiv geladenen Probekörper ausübt, und dessen Ladung.
Entsprechend ihrer Definitionsgleichung könnte man die elektrischen Feldstärke auch in der Einheit Newton pro Coulomb () angeben. Allerdings ist diese Angabe nicht sehr gebräuchlich. Die Umwandlung in die Einheit V/m geht in folgender Umrechnungskette vonstatten:
1 (Erweitern mit m) =
Elektrische Feldstärken in Natur und Technik
| unter einer Überlandleitung | 1.000 |
| unmittelbar vor einem Blitzeinschlag | 1.000.000 |
| elektrischer Durchschlag durch 0,1 mm dickes Glas erfolgt ab | 300.000.000 |
Die Messung der elektrischen Feldstärke
Die elektrische Feldstärke kann unter Verwendung ihrer Definitionsgleichung gemessen werden. Dazu benötigt man einen kleinen und schwach geladenen Probekörper. Durch die geringen Abmessungen des Probekörpers kann man die Veränderung der Feldstärken in kleinen Raumbereichen untersuchen. Der Probekörper darf nur schwach geladen sein, denn sonst würde seine eigene Ladung das zu messende Feld verfälschen. Ist die Ladung des Probekörpers bekannt, hat man lediglich die auf ihn einwirkende Feldkraft F zu messen, beispielsweise mithilfe eines Federkraftmessers.
Allerdings ist diese Vorgehensweise sehr umständlich. Da elektrische Felder neben der direkten Kraftwirkung auf geladene Objekte auch noch weitere Einflüsse auf ihre Umgebung ausüben, kann man ihre Feldstärken auch auf anderen Wegen unter Ausnutzung dieser Einflüsse ermitteln. Dazu zählen die Influenz oder, bei zeitlich veränderlichen elektrischen Feldern, die Induktion.
Die Influenzmessung nutzt folgenden Sachverhalt:
Bringt man einen ungeladenen leitenden Körper in ein elektrisches Feld, dann wirkt dieses Feld auf die beweglichen Ladungsträger dieses Körpers ein. Die Ladungsträger werden entsprechend ihrem Vorzeichen nach verschiedenen Richtungen gezogen und auf diese Weise auf seiner Oberfläche räumlich voneinander getrennt oder in seinem Innern ausgerichtet. Dieser Vorgang wird als Influenz bezeichnet.
Trennt man im elektrischen Feld den positiv und den negativ geladenen Teil des Körpers voneinander, dann können sich die beiden Ladungsarten nach dem Herausziehen aus dem elektrischen Feld nicht wieder vereinigen und dadurch kompensieren. Man erhält auf diese Weise zwei elektrisch entgegengesetzt geladene Hälften.
Je größer die elektrische Feldstärke ist, desto stärker erfolgt eine Ladungstrennung durch Influenz. Misst man die influenzierte Ladung auf den zwei Hälften des Probekörpers, kann man aus der Ladungsmenge die Stärke des elektrischen Feldes ermitteln. Dieses Prinzip wird in Elektrofeldmetern angewandt.
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