Elektrotechnik Grundlagen

Influenz

Was es mit der Influenz auf sich hat und wie sie sich bemerkbar macht erfährst du hier.

Schau auf jeden Fall noch das Video  zum Thema an. Darin haben wir für dich die wichtigsten Themenpunkte audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Influenz einfach erklärt

Die Influenz oder auch elektrostatische Induktion, bezeichnet die, durch in der Nähe befindlicher elektrischer Ladungen bedingte, Umverteilung von Ladungsträgern in einem Objekt. Das heißt, legst du ein geladenes Objekt in die Nähe eines neutralen Leiters, bildet sich an einem Ende des Leiters eine positive und am anderen Ende eine negative Ladung aus. Aufgrund der Influenz ist auch das gemessene Potential an jedem Punkt des Leiters gleich. 

Elektrische Influenz

Ein gewöhnliches, ungeladenes Medium hat eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen an jeder Stelle des Mediums. Diese liegen dicht beieinander, weshalb auch eine neutrale Ladung vorherrscht. Die positiven Ladungen sind die Atomkerne . Diese sind ortsfest in der Materiestruktur und können sich daher nicht bewegen. Die negativen Ladungen sind die, an die Atomkerne gebundenen Elektronen. In elektrische leitenden Objekten können sich manche dieser Elektronen, weitestgehend frei im Material bewegen. 

Wird ein geladenes Objekt in die Nähe eines neutralen Leiters gebracht, führt dies zu einer Ladungstrennung in dem Leiter. Verursacht wird das durch die wirkende Kraft des geladenen Objekts, beschrieben durch das Coulomb Gesetz . Wie die Ladung im Leiter verteilt wird hängt davon ab ob das äußere Objekt positiv oder negativ geladen ist.

Bringst du ein positiv geladenes Objekt in die Nähe des Leiters, zieht das Objekt die negativen Elektronen im Leiter an. Das führt zu einer negativen Ladung im Leiter auf der Seite, von welcher du das positiv geladene Objekt näherst. Analog dazu entsteht dann eine Ansammlung positiver Ladung auf der davon entfernten Seite. Diese Ladungszonen nennt man induzierte Ladung. Ist das Objekt, welches du näherst, hingegen negativ geladen, verläuft der Prozess umgekehrt. 

Merke

Beachte, dass der Leiter nach wie vor nicht geladen ist, da die Anzahl der Ladungsträger gleich bleibt. Es handelt sich dabei nur um eine Umverteilung von Ladung. Der Prozess ist reversible. Entfernst du das externe Objekt wieder, kehren die Elektronen zu ihrer ursprünglichen Verteilung zurück.

Influenz illustriert
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Influenz illustriert.

Influenz Physik

Was bei der Influenz passiert, lässt sich am einfachsten an einer leitenden Kugel darstellen. Auch wenn die absolute Anzahl an verschobenen Elektronen groß scheint, ist die Verschiebung im Verhältnis zur gesamten Menge an Ladungsträgern, relativ klein. Indem du die Verteilung der Ladung auf der Oberfläche einer Kugel betrachtest, lässt sich das leichter veranschaulichen.

Machst du einen Versuch mit der Influenz, musst du dich bei der Stärke deines elektrischen Feldes auf Werte unter E_{max}=10^5 V/m beschränken. Damit vermeidest du, dass unerwünschte Entladungen das Ergebnis verfälschen. Solche Entladungen entstehen bei Luft bei Werten von E_{krit}=10^7 V/m bis 10^9 V/m. Das ist die Durchschlagsfeldstärke und bezeichnet die elektrische Feldstärke, ab der es bei einem Isolator zu Spannungsdurchschlägen kommt. Diese zeigen sich meist in Form von Lichtbögen oder Funkenschlag.

Damit kannst du die Flächenladungsdichte \sigma auf der Oberfläche deiner Kugel abschätzen.

\sigma = 2 \cdot E_{max} \epsilon_0 \epsilon_r \approx 1,789 \cdot 10^{-6} \, As/m^2

Die Werte \epsilon_0 und \epsilon_r bezeichnen jeweils die Permittivität im Vakuum und die relative Permittivität des betrachteten Mediums.

Damit findest du auf jedem Quadratzentimeter deiner Kugeloberfläche eine Überschussladung von 1,8 \cdot 10^{-10} As, was 1,1 \cdot 10^9 Elektronen entspricht. Die Zahl der Elektronen kannst du über die Elektronenladung ermitteln, welche e=1,602 \cdot 10^{-19} C beträgt. 

Natürlich musst du jetzt noch wissen, wie viele Atome in etwa einen Quadratzentimeter einnehmen, damit du auch ein Verhältnis bestimmen kannst. Besteht deine Kugel aus Kupfer, dann hast du etwa 8 \cdot 10^{14} Atome auf einem Quadratzentimeter. Jedes dieser Atome stellt ein Leitungselektron zur Verfügung. Jetzt teilst du die Zahl der zusätzlichen Atome in diesem Quadratzentimeter durch die Zahl der Vorhandenen.

\frac{1,1 \cdot 10^9}{8 \cdot 10^{14}} = 1,4 \cdot 10^{-6} = \frac{1}{723000}

Damit weißt du jetzt, dass für knapp 700.000 frei beweglicher Elektronen, eines durch Influenz dazu kommt. 

Influenz einer Metallkugel
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Influenz einer Metallkugel.

Influenz Elektrische Leiter

Wie du vom Coulomb Gesetz weißt, stoßen sich gleichnamige Ladungen ab und ungleichnamige ziehen sich an. Bringst du mit diesem Wissen leitendes Material in ein elektrisches Feld, beziehungsweise in die Nähe eins geladenen Objekts, veränderst du dessen Ladungsdichte. Dabei ist es egal ob das Objekt positiv oder negativ geladen ist, da es die gleichnamigen Ladungsträger des Materials abstoßen und die ungleichnamige anziehen wird, wie bereits erwähnt. Dadurch entstehen in dem Material Gebiete verschiedener Ladungsdichten. Die gesamte Ladungsdichte des Leiters bleibt dabei erhalten.

Merke

Die Influenz verändert nicht die Gesamtladung des Leiters. Diese bleibt erhalten.

Diese Umverteilung der Ladung findest du aber nur an Grenzflächen, also der Oberfläche des Leiters. Da sich die Ladungsträger im Inneren frei bewegen können, ist im Leiter kein elektrisches Feld vorhanden. 

Influenz und Polarisation

Im Gegensatz zu Leitern, können sich die Ladungsträger des Isolators nicht frei bewegen. Bei der Influenz führt das zur einer Polarisierung, also dem ausbilden elektrischer Felder an der Oberfläche und im Inneren des Isolators. Die Polarisierung auf der dem elektrischen Feld abgewandten Seite entspricht dem externen Feld, die auf der zugewandten Seite hat entgegengesetzte Ladung. 

Diese Form der Polarisation wird als Verschiebungspolarisation bezeichnet. Dabei werden die positiven Atomkerne in eine und die negative Elektronenhülle in die andere Richtung verschoben. Bei diesem Prozess verformt sich die Elektronenhülle nicht. Mit einem Wechselfeld, also einem elektrischen Feld mit wechselnder Richtung, kannst du beobachten, dass die Elektronenhülle wie an Ball an einem Faden hin und her schwingt.

Influenz bei Isolatoren
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Influenz bei Isolatoren.

Influenz Anwendungen

Die Wirkung der Influenz findet in vielen Verfahren Anwendung. Die mechanischen Effekte bei der Verschiebung von Ladungsträgern wird, beispielsweise beim Elektroskop, ausgenutzt. Dieses benutzt du um stromlos Spannungen zu messen.

Aber auch in Teilchenbeschleunigern, durch sogenannte Pelletrons, wird die Influenz ausgenutzt um Hochspannungen von bis zu 32 Millionen Volt zu erreichen. 

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