Feldlinien
Einführung
Elektrische Felder sind allgegenwärtig in unserer Umgebung. Sie sind für uns Menschen oft nicht sichtbar oder spürbar, während viele Tiere bereits auf schwache elektrische Felder reagieren. Haie nutzen elektrische Felder beispielsweise, um ihre Beute aufzuspüren. Menschen nehmen elektrische Felder meist erst dann wahr, wenn sie besonders stark oder gefährlich werden, zum Beispiel dann, wenn es beim Gewitter blitzt.
Abb. 1: Ein Gewitter über einer Stadt
Elektrisches Feld
Schematisiert dargestellt herrschen im unteren Teil dieser Wolke Wassertropfen und im oberen Teil, wo es wesentlich kälter ist, Eiskristalle vor. Man stellt sich heute vor, dass sich beim Auftürmen dieser Wolke im Inneren durch Reibung und Zusammenstöße die Ladungen trennen. Die Eiskristalle laden sich positiv und die Wassertropfen negativ auf.
Es entsteht ein starkes elektrisches Feld.
Sobald ein bestimmter Wert der Feldstärke überschritten wird, kommt es zu einer Entladung und es entsteht ein Blitz. Ein elektrisches Feld ist ein Feld, in dem elektrische Ladungen eine Kraft erfahren. Eine elektrische Ladung oder ein geladener Körper ist immer die Quelle eines elektrischen Feldes. Zwischen geladenen Körper wirken Kräfte, die zur Übertragung keine Materie benötigen.
Elektrische Feldlinien
Elektrische Feldlinien können die Kraftwirkungen in einem elektrischen Feld sichtbar machen. Die Feldlinien zeigen immer in die Richtung, in die die Kraft wirkt. Sie sind gerade oder gekrümmte Linien, die man nicht mit blosem Auge wahrnehmen kann. Durch Experimente, zum Beispiel mit Hilfe von Grießkörnern in Rizinusöl, kann man den Verlauf der Feldlinien sichtbar machen. Auf die Körner wirkt im elektrischen Feld eine Kraft, die Coulombkraft, welche dafür sorgt, dass sich die Grießkörner entlang der Feldlinien ausrichten.
Für elektrische Feldlinien gelten folgende Regeln:
- Je dichter die Feldlinien verlaufen, desto stärker ist das elektrische Feld.
- Die Richtung der Feldlinien beschreibt die Richtung der Coulombkraft.
- Feldlinien stehen immer senkrecht auf eine Leiteroberfläche.
- Feldlinien durchkreuzen sich nicht.
- Die Feldlinien können nicht im freien Raum anfangen, sie gehen immer von einer Ladung aus.
- Feldlinien verlaufen von einer positiven Ladung zu einer negativen Ladung.
Homogenes Feld (mit inhomogenem Randbereich)
Sind die Platten eines Plattenkondensators viel größer als der Abstand zwischen den Platten, ist das elektrische Feld im Inneren des Plattenkondensators näherungsweise homogen. Dies kann durch parallel verlaufende Feldlinien beobachtet werden. Gibt man eine Probeladung in den Kondensator, ist zu beobachten, dass die Kraft an jeder Stelle gleich groß ist. Die elektrische Feldstärke
Radialfeld (elektrischer Monopol)
Betrachtet man eine isolierte positive Ladung, lässt sich ein radiales elektrisches Feld beobachten.
Die Feldlinien verlaufen bei einem solchen Feld strahlenförmig von einer positiven Ladung nach außen hin weg.
Ist keine andere Ladung in der Umgebung, so spricht man hierbei auch von einem elektrischen Monopol.
Jede isolierte positive Ladung ist also von einem solchen Feld umgeben. Bei isolierten negativen Ladungen zeigen die Feldlinien genau in die umgekehrte Richtung.
Radialfeld:
Zwei entgegengesetzt geladene Ladungen
Die Feldlinie stehen immer senkrecht auf einer Leiteroberfläche und verlaufen vom positiven zum negativen Pol.
Zwei gleichnamige Ladungen
Zwei gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Die Feldlinien stellen die Richtung der zwischen den Ladungen wirkenden Kraft dar. In der Abbildung ist der Verlauf der Feldlinien zwischen zwei gleichnamigen Ladungen dargestellt.