Influenz (Video)

In diesem Video erklären wir die Grundlagen der Influenz in der Elektrotechnik. Erfahre, wie elektrische Ströme und Magnetfelder miteinander interagieren und welche Auswirkungen das auf elektrische Geräte hat.

VIDEOSKRIPT

Was es mit der Influenz auf sich hat und woran du sie erkennst, lernst du hier.
Viel Spaß!

Influenz einfach erklärt

Legst du ein geladenes Objekt in die Nähe eines neutralen Leiters, bildet sich an den Enden des Leiters jeweils eine positive und eine negative Ladung aus – eine sogenannte Ladungstrennung entsteht innerhalb des neutralen Leiters. Das ist die elektrostatische Influenz. Misst du das Potential an verschiedenen Punkten des Leiters, stellst du zudem fest, dass das elektrostatische Potential an jedem Punkte des Leiters gleich bleibt. In deinem Alltag hast du sicher mal erlebt, wie ein Ballon, den du am Teppich gerieben hast, kleinere Objekte angezogen hat. Das ist auch ein Effekt der Influenz.

Elektrische Influenz

Ein neutrales Medium hat überall die gleiche Ladungsdichte. Das heißt, positive und negative Ladungsträger heben sich gegenseitig auf. Die positiven Ladungen sind die ortsfesten Atomkerne und die negativen die zugehörigen Elektronen.

Bringst du nun ein geladenes Objekt in die Nähe deines Leiters, führt das zu einer Ladungstrennung. Das passiert wegen der Coulomb Kraft beschrieben durch das Coulomb Gesetz. Schau dir auf jeden Fall das Video dazu an!

Wie sich die Ladung verteilt hängt daher von dem Vorzeichen deines geladenen Objektes ab. Hat es ein positives Vorzeichen, werden die Elektronen deines Leiters angezogen und es kommt zu einer negativen Ladung auf dem Objekt zugewandten Seite und einer positiven Ladung auf der abgewandten Seite. Hat dein geladenes Objekt hingegen ein negatives Vorzeichen ist der Prozess umgekehrt.

Beachte aber, dass der Leiter dadurch nicht selbst geladen wird. Die gesamte Ladungsdichte bleibt erhalten. Entfernst du dein geladenes Objekt wieder, neutralisiert sich der Leiter wieder.

Influenz Physik

Um nun zu beobachten wie viele Elektronen eigentlich verschoben werden, stellst du dir am besten eine neutrale Kupferkugel vor. Diese bringst du in ein elektrisches Feld und beobachtest ihre Ladungsverteilung auf der Oberfläche.

Deine elektrische Feldstärke beträgt
𝐸𝑚𝑎𝑥=105
�
�
�
�
=
10
5

V/m (E Max ist gleich zehn hoch fünf Volt pro Meter). Damit lässt sich die Flächenladungsdichte
𝜎
𝜎

(Sigma) auf deiner Kugel abschätzen.

𝜎=2⋅𝐸𝑚𝑎𝑥⋅𝜖0 𝜖𝑟≈1,789⋅10−6
𝜎
=
2
⋅
�
�
�
�
⋅
𝜖
0

𝜖
�
≈
1
,
789
⋅
10
−
6

As/m

Das Epsilon steht für die Permittivität im Vakuum beziehungsweise die spezifische Permittivität des Mediums. Damit weißt du, dass du pro Quadratzentimeter eine Überschussladung von
1,8⋅10−10
As (eins Komma Acht mal zehn hoch minus zehn Ampere Sekunden) hast, was
1,1⋅109
(eins Komma eins mal zehn hoch neun) Elektronen entspricht. Deine Kugel besteht aus Kupfer, daher hast du circa
8⋅1014
(acht mal zehn hoch vierzehn) Atome pro Quadratzentimeter. Jedes dieser Atome bringt in etwa ein freies Elektron mit.

1,1⋅1098⋅1014=1723000
1
,
1
⋅
10
9
8
⋅
10
14
=
1
723000

Das heißt also pro knapp 700000 (siebenhunderttausend) frei beweglicher Elektronen kommt eines durch die Influenz dazu. Nicht gerade viel!

Influenz elektrische Leiter

Die Influenz äußert sich auf verschiedene Weise in Leitern und Isolatoren. In einem Leiter bringt jedes Atom in etwa ein freies Elektron mit. Frei bedeutet, dass es sich weitestgehend frei im Leiter bewegen kann. Vom Coulomb Gesetz weißt du, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen und ungleichnamige anziehen. Zudem erzeugen elektrische Ladungen auch elektrische Felder. Übertragen auf die Influenz bedeutet das für deinen Leiter, dass die freien Elektronen durch ihn hindurch entlang der Feldlinien fließen. Dabei bleiben dann die gebundenen Atomkerne zurück. An einem Ende des Mediums jedoch kommt es zu einer deutlichen Erhöhung negativer Ladung. Das besondere allerdings ist, dass die Umverteilung der Ladungsträger nur an der Oberfläche des Leiters gemessen werden kann. Da sich die Elektronen im Inneren des Leiters frei bewegen können, bilden sich dort keine elektrischen Feldlinien aus.

Influenz Elektrische Isolatoren

In Isolatoren hingegen können sich die Ladungsträger nicht frei bewegen. Die Atomkerne sind ortsfest und ihre Elektronenhüllen an diese gebunden. Hier führt die Influenz zur Polarisierung. Das bedeutet, dass sich elektrische Felder im gesamten Isolator, relativ zum äußeren elektrischen Feld ausbilden.

Diese Form der Polarisation wird als Verschiebungspolarisation bezeichnet. Wird ein äußeres elektrisches Feld angelegt, werden die Atomkerne eine und die Elektronenhüllen in die andere Richtung verschoben. Das führt nicht zu einer Verformung der Elektronenhülle. Diese schwingt relativ zum Atomkern hin und her.

Influenz Anwendungen

Diese interessanten Eigenschaften der Influenz finden in vielen Verfahren Anwendung. Beispielsweise benutzt man die mechanischen Effekte bei der Verschiebung von Ladungsträgern beim Elektroskop. Damit misst du stromlos Spannungen.

Aber auch in Teilchenbeschleunigern werden durch sogenannte Pelletrons mithilfe der Influenz Hochspannungen von bis zu 32 Millionen Volt erreicht.

Outro

Somit hast du nun gelernt, was es mit der Influenz auf sich hat und welche Eigenschaften sie hat.
Super!