Grundlagen der Elektrostatik und elektrischer Felder
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Elektrisches Feld
Das elektrische Feld ist der räumliche Bereich, in dem elektrische Kräfte wirken.
Elektrische Feldstärke
Die elektrische Feldstärke ist definiert als die Kraft, die eine positive Probeladung erfährt, wenn sie unter der Wirkung eines solchen Feldes platziert wird, geteilt durch den Wert der Ladung.
Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld
Wenn eine Punktladung der Größe q in einen Bereich mit einem elektrischen Feld E eintritt, erfährt sie eine Kraft der Größe F = qE.
Bei einer Masse m wird die Beschleunigung a durch die Beziehung a = F / m = qE / m gegeben.
Diese Beziehung beschreibt Betrag und Richtung der Beschleunigung des Teilchens im elektrischen Feld. Der Betrag ist gleich qE / m, während die Richtung vom Vorzeichen der Ladung abhängt. Ist die Ladung positiv, hat die Beschleunigung die gleiche Richtung wie E.
Die Beschleunigung kann variabel oder konstant sein, abhängig vom Wert des elektrischen Feldes E. Wenn das Feld beispielsweise von einer Punktladung berechnet wird, lautet der Ausdruck für die Feldstärke: E = kQ/r² · ur, wobei ur ein radialer Einheitsvektor ist, der die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt.
Ladungstransfer in elektrischen Leitern
Ein guter elektrischer Leiter ist ein Material, in dem sich Elektronen auf der äußeren Umlaufbahn der Atome sehr frei innerhalb der atomaren Struktur bewegen können. Metalle sind Beispiele für gute Leiter.
Wenn ein neutrales Metallstück (ohne Netto-Ladung) in ein elektrisches Feld eingefügt wird, bewegen sich die freien Elektronen sofort unter der Wirkung des Feldes. Das Feld übt Kräfte auf die Elektronen aus, die sie dazu bringen, entgegen der Feldrichtung zu migrieren.
Dieser Vorgang ist sehr schnell und stoppt, sobald die Ladungsanpassung (innerhalb von etwa 1 µs) abgeschlossen ist. Man spricht dann davon, dass sich der Leiter im elektrostatischen Gleichgewicht befindet.
Elektrisches Potential
Das elektrische Potential (V) an einem Punkt in einem elektrischen Feld ist definiert als die Arbeit, die erforderlich ist, um eine positive Einheitsladung von einem Referenzpunkt (oft unendlich) zu diesem Punkt zu transportieren.
Das elektrische Potential ist eine skalare Größe und kann positive oder negative Werte annehmen.
Elektrische Potentialdifferenz
Die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen zwei Punkten A und B in einem elektrischen Feld ist die Arbeit pro Ladung, die eine externe Kraft aufwenden muss, um eine positive Einheitsladung von A nach B zu bewegen, ohne dass sich deren kinetische Energie ändert.
Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem gegebenen elektrischen Feld ändert sich nicht, unabhängig vom Weg, dem die Ladung in ihrer Bewegung folgt. Das bedeutet, dass die Potentialdifferenz wegunabhängig ist.