15. Das elektrische Feld

Ein Feld ist ein Raum, in dem jedem Punkt ein bestimmter Wert einer

physikalischen Größe zugeordnet wird.

15.1 Verschiedene el. Felder Warum bewegen sich elektrische Ladungen?

Versuch:

+

8 kV

- +

Feldlinien

Es wirkt eine Kraft zwischen den Grießkörnern im elektrischen Feld (= Raum zwischen den Ladungen).hier: homogenes Feld Feldlinien sind parallel und gleich dicht. Richtung der Feldlinien: von + nach -

F = Q*E Kraft auf eine Ladung Q im Feld mit der Feldstärke E

Weitere Felder

+

8 kV

- +

Feldlinien

Feldlinien liegen bei der punktförmigen viel dichter als bei plattenförmigen Elektrode.

Versuch:

Weitere Felder

+

Im Inneren feldfrei

Ein radial-symmetrisches Feld wird erzeugt.

Versuch:

- Radialsymmetrisches Feld

Coulombsches Gesetz

-

• Die Feldstärke steht für die Dichte der Feldlinien.

E·4r2π = const E ~1/(4r2 π),

andrerseits: E ~ Q E ~ Q/(4r2 π)

F ~ Q1*Q/(4r2 π)

“Coulombsches Gesetz”

21

0 r

QQ4

1F

ε0 = 8,8541878·10-12As/Vm

Aufgabe

• Wie stark ziehen sich Elektron und Proton im Wasserstoffatom an? (Abstand = 10-10 m)?

• (Beispiel auf S. 37 BW 7)

• Vergleiche mit der Gravitationsanziehung der beiden!

Lösung zur Aufgabe

Vergleiche mit der Gravitationsanziehung der beiden:

FQ Q

r

1

4 02'

F N

1

4 8 854 10

1 10

102 3 1012

0

19 2

10 28

,

( ,6 )

( ),

F GM m

rN

'

,673,7 ,

( )211

27 31

10 2476 10

1 10 91 10

1010

15.3 Die elektrische Influenz• Zwei Elektroskope stehen

nebeneinander. (neutral) • Sie werden mit einem Aluminium-stab

mit Isolierstiel verbunden.• Nähern eines geladenen Stabes ohne

Berührung.• Die beiden Elektroskope zeigen einen

Ausschlag.• Abheben des Al-Stabes, dann Entfernen

des geladenen Stabes.• Wir erhalten zwei verschieden geladene

Körper.• Ladungsausgleich. Die beiden Körper

sind wieder neutral

- - - ---

--

---

- -- - - - -

- - -

+ + + + +

+ + + ++

+++

-- +

--

- - -

- - -

+ + + + +

+ + +

+++

-- +

+ + + + +- -

- - - - - - -

Elektrische Influenz

• In der Umgebung eines geladenen Körpers wirken elektrische Kräfte. Ihren Wirkungsbereich nennt man elektrisches Feld.

Die Trennung elektrischer Ladungen durch ein elektrisches Feld heißt elektrische Influenz.

15.3.1 Anwendungen der el. Influenz• Durch den Kontakt des Endlosbandes aus

Gummi mit der Erregerwalze aus Plexiglas wird diese positiv aufgeladen das Endlosband negativ. Über die Schneide gegenüber der Erregerwalze werden Elektronen von der Konduktorhaube abgesaugt und auf das Gummiband gesprüht. Dadurch wird die Konduktorhaube positiv aufgeladen. Das Gummiband transportiert die Elektronen nach unten, wo sie von einer weiteren Schneide, die geerdet ist, abgesaugt werden.

• Die Ladungen befinden sich auf der Oberfläche der Konduktorhaube. Welche Spannung erzielt werden kann, hängt von der Größe (Radius) ab. Unserer ca. 25 kV.

• Anwendung als Gleichspannungsquelle mit sehr hoher Spannung, aber geringer Stromstärke. Besonders in der Elementarteilchenforschung. Es gibt Van de Graaf-Generatoren mit Kugeldurchmessern von 5m. (MV-Bereich)

Van de Graaf-Generator (1931)

Elektrostatische Abgasreinigung

Ein dünner Draht in der Mitte des Rohres (isoliert) wird auf eine Spannung von 100 000 V gebracht. Vom Draht gehen Elektronen aus und lagern sich an den Rußpartikeln ab. Diese werden dadurch negativ aufgeladen und von der Wand angezogen. Dort lagern sie sich ab.

verun-

reinigtes

Gas

gereinigtes

Gas

Staub

100 000 VIsolator

Elektrostatische Aufladungen

Ist die relative Luftfeuchtigkeit über 60 bis 65%, bildet sich auf jeder dieser Feuchtigkeit ausgesetzten Oberfläche ein Wasserfilm. Da nun aber Wasser elektrostatisch gesehen ein guter Leiter ist, wird jede Überschussladung sofort abgeleitet, ja es ist sogar schwierig, unter diesen Bedingungen experimentell eine statische Aufladung überhaupt zu erzeugen. Dies ist auch der Grund, weshalb Unfälle durch Elektrostatik meist im Winterhalbjahr und nur in gemäßigten Zonen auftreten.

Aufladung des Menschen auf einem Teppich

1. Der menschliche Körper mitsamt Brandsohle. Diesen Teil darf man als Leiter bezeichnen, da der Widerstand zwischen zwei beliebigen Stellen unterhalb 109 Ohm liegt.

2. Die eigentliche (Geh-) Sohle als mehr oder weniger guter Isolator. Durchgangswiderstand für Leder ca. 109 bis 1010 Ohm, für Gummisohlen ca. 1013 bis 1015 Ohm.

3. Der Teppich als mehr oder weniger guter Isolator. Je nach Typ ist mit den verschiedensten Widerstandswerten zu rechnen.

4. Ein leitfähiger und geerdeter Boden, gegenüber dem die Potentiale gemessen werden.

1. Der menschliche Körper mitsamt Brandsohle. Diesen Teil darf man als Leiter bezeichnen, da der Widerstand zwischen zwei beliebigen Stellen unterhalb 109 Ohm liegt.

2. Die eigentliche (Geh-) Sohle als mehr oder weniger guter Isolator. Durchgangswiderstand für Leder ca. 109 bis 1010 Ohm, für Gummisohlen ca. 1013 bis 1015 Ohm.

3. Der Teppich als mehr oder weniger guter Isolator. Je nach Typ ist mit den verschiedensten Widerstandswerten zu rechnen.

4. Ein leitfähiger und geerdeter Boden, gegenüber dem die Potentiale gemessen werden.

12

34