Das Elektrische Feld: Definition, Stärke und Feldlinien einfach erklärt

Das Elektrische Feld: Konzept und Entwicklung

In der Ära vor Faraday wurde die Kraft zwischen zwei geladenen Teilchen als eine direkte und instantane Interaktion betrachtet – eine Aktion in der Ferne, bei der der Raum zwischen den Ladungen keine Rolle spielte. Dieses Konzept wurde auch zur Erklärung von Gravitations- und magnetischen Wechselwirkungen herangezogen.

Heute werden diese Wechselwirkungen mithilfe des Begriffs des Feldes beschrieben. Jede elektrische Ladung verändert die Eigenschaften des umgebenden Raumes. Diese veränderten Eigenschaften kommunizieren das elektrische Feld. Das elektrische Feld wirkt als Vermittler in der Interaktion zwischen den beiden Ladungen.

Elektrische Feldstärke (E)

Um die Eigenschaften des elektrischen Feldes zu bestimmen, führt man eine positive Testladung ($q_0$) ein, die so klein sein muss, dass sie das Feld nicht beeinflusst.

Die elektrische Feldstärke $E$ ist definiert als:

$$E = \frac{F}{q_0}$$

Der Vektor des Elektrischen Feldes

Ein Vektor ist ein Segment, das die Position eines Punktes relativ zu einem anderen festlegt.

• $E$ ist ein Vektor in die gleiche Richtung wie der Kraftvektor $F$.
• Die Größe des Vektors $E$ ist von der Testladung $q_0$ unabhängig, da die Kraft $F$ proportional zu $q_0$ ist.
• Für jeden Punkt im Feld ist das Verhältnis $F/q_0$ immer konstant – dies ist eine Eigenschaft des Feldes.
• Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld, da jedem Punkt im Raum ein Vektor $E$ zugeordnet ist.

Erzeugung des Elektrischen Feldes

Das elektrische Feld, erzeugt durch eine einzelne Punktladung $q$, ergibt sich aus:

$$E = \frac{F}{q_0} = k \frac{q}{r^2}$$

Wenn das elektrische Feld durch eine kontinuierliche Verteilung von Ladungen oder durch mehrere Punktladungen erzeugt wird, ergibt sich das resultierende Feld als die vektorielle Summe der einzelnen Felder:

$$F_{res} = F_1 + F_2 + \dots + F_n$$

Daraus folgt für die resultierende Feldstärke $E_{res}$:

$$E_{res} = \frac{F_{res}}{q_0} = \frac{F_1}{q_0} + \frac{F_2}{q_0} + \dots + \frac{F_n}{q_0}$$

$$E_{res} = E_1 + E_2 + E_3 + \dots + E_n$$

Feldlinien des Elektrischen Feldes

Faraday entwickelte ein Verfahren zur geometrischen Darstellung von Vektorfeldern, indem er die Feldlinien oder Kraftlinien einführte.

Eigenschaften der Feldlinien

1. Die Kraftlinien sind imaginäre Linien, die in die Richtung der Kraft zeigen würden, die auf eine positiv geladene Testladung an diesem Punkt wirkt.
2. Der elektrische Feldvektor an jedem Punkt ist tangential zur Kraftlinie an dieser Stelle und entspricht deren Richtung.
3. Wo die Linien dicht beieinander liegen, ist das Feld intensiver.
4. Die Kraftlinie bestimmt an jeder Stelle die Richtung von $E$ und somit auch die Richtung der Kraft $F$.
5. Das elektrische Feld, das durch eine positiv geladene Quelle erzeugt wird, wird durch gerade Linien mit radialer, nach außen gerichteter Richtung dargestellt.
6. Ist die Ladung der Quelle negativ, sind die Kraftlinien in Richtung der Ladung gerichtet (nach innen).
7. Die Feldlinien, die von zwei Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens ausgehen, beginnen an der positiven Ladung und enden an der negativen Ladung.