Elektrotechnik Grundlagen
Elektrische und magnetische Effekte
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Was ist ein elektrisches Feld?

Ein elektrisches Feld ist ein unsichtbares Feld, das eine Kraft auf geladene Teilchen auswirkt. Es existiert immer in der Umgebung einer elektrischen Ladung.

Die Richtung des elektrischen Feldes wird durch das Vorzeichen Plus oder Minus der Ladung q bestimmt. Das heißt, positiv geladene Teilchen besitzen ein elektrisches Feld, was von ihnen wegführt und negativ geladene Teilchen eines, was zu ihnen hinführt. Die Stärke des Feldes ist davon abhängig, wie groß die Ladung des Teilchens ist, welches das elektrische Feld erzeugt.

Die Richtung und Stärke des Feldes beschreibst du mit der elektrischen Feldstärke. Einfach gesagt sagt sie dir, welche Kraft das elektrische Feld auf andere Ladungen auswirken kann.

Um ein unsichtbares elektrisches Feld trotzdem bildlich darzustellen, verwendest du die sogenannten elektrischen Feldlinien. Du kannst mithilfe der Feldlinien die Richtung, die Stärke und den Verlauf eines elektrischen Feldes zeigen.

Elektrische Feldstärke Formel

Mit der elektrischen Feldstärke E beschreibst du die Stärke und Richtung eines elektrischen Feldes. Sie gibt dir also an, wie stark das elektrische Feld einer Ladung q ist und in welche Richtung es wirkt.

Um die elektrische Feldstärke zu messen, benötigst du aber eine zweite Ladung q2, die auch Probeladung genannt wird. Gibst du die Probeladung q2 in das elektrische Feld der Ladung q, kannst du die elektrische Kraft messen. Die gemessene elektrische Kraft kannst du auch darstellen durch:

F = E • q2

Die elektrische Feldstärke gibt also den Zusammenhang zwischen der elektrischen Kraft und einer Probeladung an. Außerdem zeigt die elektrische Kraft und die Feldstärke immer in die gleiche Richtung. Durch Umstellung der Formel kannst die elektrische Kraft berechnen durch:

    \[E=\frac{F}{q_\text{2}}\]

Die Definition der elektrischen Feldstärke E ist der Quotient der elektrischen Kraft F und der Ladung q2 der Probeladung (E=F/q2).

Elektrische Feldstärke Einheit

Die elektrische Feldstärke ist definiert als der Quotient der elektrischen Kraft (Newton) und der Ladung der Probeladung (Coulomb). Deshalb besitzt die elektrische Feldstärke die Einheit Newton N pro Coulomb C (N/C).

    \[[E]=\frac{\text{N}}{\text{C}} = \frac{\text{V}}{\text{m}}\]

Durch Umformung kannst du die Einheit auch als Volt [V] pro Meter [m] ausdrücken (V/m).

Elektrische Feldlinien 

Elektrische Feldlinien sind Vektoren des elektrischen Feldes, die den Verlauf, die Richtung und die Stärke darstellen. Du verwendest Feldlinienbilder also, um elektrische Felder visuell darzustellen.

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Elektrische Feldlinien

Für Feldlinien gilt:

  • Je stärker das elektrische Feld in einem Bereich, desto näher sind die Feldlinien zusammen.
  • Die Feldlinien gehen immer von der positiven Ladung weg und zur negativen Ladung hin.
  • Die Feldlinien überkreuzen sich nicht.
  • Feldlinien treten senkrecht in die Ladungen ein und senkrecht aus den Ladungen aus.

Elektrisches Feld Punktladung 

Als Punktladung bezeichnest du eine idealisierte elektrische Ladung ohne räumliche Ausdehnung. Du siehst sie einfach als Punkt. Das elektrische Feld um eine Punktladung geht bei einer positiven Ladung radial von ihr weg. Bei einer negativen Punktladung ist die Richtung des elektrischen Feldes radial zur Ladung.

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Elektrisches Feld Punktladung

Nach dem Coulombschen Gesetz  kannst du die elektrische Feldstärke einer Punktladung im Vakuum wie folgt berechnen:

    \[\left|E\right|=\frac{1}{4\pi\cdot\epsilon_0}\cdot\frac{q}{r^2}\]

Dabei ist q die Ladung der Punktladung, r der Abstand, in dem die Feldstärke von der Punktladung bestimmt werden soll und \epsilon_0 ist die sogenannte elektrische Feldkonstante und beträgt:

    \[\epsilon_0=8,854\cdot 10^{-12}\frac{\text{A}\cdot \text{s}}{\text{V}\cdot \text{m}}\]

Inhomogenes elektrisches Feld 

Das Feld einer Punktladung zählt zu den inhomogenen elektrischen Feldern. Das sind Felder, deren Feldstärke und Richtung ortsabhängig sind.

Einfach ausgedrückt bedeutet das, dass die Feldlinien nicht parallel zueinander sind. Du kannst das Feld einer Punktladung auch als Radialfeld bezeichnen. Das sind Felder, die sich radial von einem bestimmten Punkt aus ausbreiten.

Elektrisches Feld Plattenkondensator

Ein Plattenkondensator besteht aus zwei Platten, an denen eine Spannung angelegt wird. Durch die Spannung besitzen die beiden Platten eine gegensätzliche elektrische Ladung Q. Das bedeutet, dass zwischen den beiden Platten ein elektrisches Feld entsteht, was von der positiven Platte zu negativen Platte geht.

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Elektrisches Feld Plattenkondensator

Das entstandene elektrische Feld ist ortsunabhängig und ist somit zwischen den Platten überall gleich stark. Du kannst es mit folgender Formel berechnen:

    \[E=\frac{U}{d}\]

Dabei ist U die angelegte Spannung und d der Abstand zwischen den beiden Platten. Eine weitere Möglichkeit, das elektrische Feld zu berechnen, ist über die Ladung Q und die Fläche A der beiden Platten. Die Formel lautet:

    \[E=\frac {Q}{\epsilon_0 \cdot A}\]

Homogenes elektrisches Feld 

Das durch einen Plattenkondensator erzeugte elektrische Feld gehört zu den homogenen elektrischen Feldern.

Das sind Felder, in denen die Richtung der elektrischen Feldstärke ortsunabhängig und damit konstant ist. Einfach ausgedrückt bedeutet das, dass die Feldlinien parallel zueinander sind.

Coulombsches Gesetz

Mithilfe des Coulombschen Gesetzes kannst du die elektrische Kraft berechnen, die zwischen zwei Ladungen existiert. Um zu erfahren, wie du genau die sogenannte Coulombkraft berechnen kannst, schau dir unseren Beitrag zum Coulombschen Gesetz an.

Zum Video: Coulombsches Gesetz
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