Elektrisches (Elektrostatisches) Feld

• elektrostatisches Feld: ruhende Ladung

• elektrisches Strömungsfeld: bewegte Ladungen

Es beschreibt einen Raumzustand in der Umgebung einer ruhenden elektrischen Ladung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass auf andere Ladungen Kräfte ausgeübt werden.

• zentraler Begriff: elektrische Feldstärke

• Wirkung und Eigenschaften der ruhenden Ladung

• Wirkung zwischen ruhenden Ladungen in Nichtleitern und isolierten Leitern

Es beschreibt Flüsse (Strömungen), welche Materielle oder andere Eigenschaften wie beispielsweise Kraftwirkungen (Wechselwirkungen) innerhalb eines räumlichenGebietes transportieren.

• zentraler Begriff: elektrischer Strom

• stationärer Fall: stabiler, gleichbleibender Zustand

  • Gleichstrom

  • Periodischer Wechselstrom

• nichtstationärer Fall

  • Ein- und Abschaltvorgänge

  • Transientenvorgänge

die in einem beliebigen Raumpunkt vorhandene elektrische Feldstärke ist dadurch definiert, dass man die Kraft, die auf eine kleine eingebrachte Probeladung ausgeübt wird, durch die betreffende Probeladung teilt

F~Q

Proportionalitätsfaktor elektrische Feldstärke E

E = F/Q

[E]= V/m

• + positive Ladung

• - negative Ladung

• Feldlinienrichtung werden durch Pfeile gekennzeichnet

• Positive Ladungen bewegen sich in Pfeilrichtung (Kraftwirkung)

• Negative Ladungen bewegen sich gegen die Pfeilrichtung (Kraftwirkung)

• elektrische Feldlinien laufen immer von positiven zu negativen Ladungen

• wenn die elektrischen Feldlinien nicht geschlossen sind, dann handelt es sich um ein sogenanntes Quellfeld

• die Feldliniendichte ist ein Maß für die Intensität der Kraftwirkung

  • Kraft ist innen auf eine Probeladung höher als außen

    -> proportional zum Abstand^2

• Homogene Felder

• Inhomogene Felder

• jeder Raumpunkt im Feldbereich hat die gleiche Feldstärke

• die Kraftwirkung im betrachteten Bereich ist konstant

• das Feldbild hat eine konstante Feldliniendichte

• die Feldlinien haben überall dieselbe Richtung

• die Feldlinien verlaufen parallel und äquidistant (gleiche Abstände)

• Kraftwirkung nicht konstant

• Feldliniendichte unterschiedlich

E= U/s

F = Q*E

W = F*s= Q *U

die Spannung zwischen 2 Punkten ist unabhängig vom Weg

• räumliche Verschiebung elektrischer Ladung durch die Eunwirkung eines elektrischen Feldes

• e- verschieben sich nach +

• innerhalb des Rahmens bildet sich ein entgegengesetztes elektr Feld

• Betrag beider Felder gleich groß

  -> heben sich innerhalb des Rahmens auf

  -> Feldfreier Raum

nützlich um Geräte abzuschirmen

-> Immisionen (Strahlung von außen) und Emisionen (Strahlung von innen nach außen) vermeiden, damit sie andere Geräte nicht stören

• Geräte die stören könnten abschirmen (Mikrowelle)

• Geräte die gestört werden könnten abschirmen (Herzschrittmacher)

• der elektrische Fluss oder auch Verschiebungsfluss ist eine physikalische Größe aus der Elektrostatik und Elektrodynamik

• Er transportiert nichts Materielles wie etwa Ladungsträger, sondern er überträgt lediglich die Wirkung des zugrundeliegenden Kraftfeldes von einem Punkt zu einem anderen

• Fernwirkung der Ladung Q

(Psi)

[Psi] = As = C

• im homogenen Feld

  • D = Q/A

  • [D]= As/ m^2 = C/m^2

• im inhomogenen Feld

Integral über eine geschlossene Fläche, die die gesamte Ladung einhüllt.

• E, D können an verschiedenen Stellen jeweils interschiedlichen Betrag und Richtung aufweisen

• Q befindet sich nur auf den Elektroden

• D ist jedoch überall zwischen den Elektroden, nachweisbar durch Influenz

• ist D im Feldraum bekannt, lässt sich Q berechnen

• Hierzu wird eine geschlossene Hüllfläche um die Ladung gelegt und über diese Hüllfläche integriert

• der Flächenvektor der Hüllfläche A ist stets bnach außen gerichtet

• die Gleichung wird auch als Gauß´scher Satz der Elektrostatik bezeichnet

• Nichtleitender Stoff

• Unpolare oder polare Stoffe

• Effekt: elektrische Polarisation

  -> Sättigung i.A. nich erreichbar

  -> Polarisation verschwindet bei abgeschaltetem Feld

• elektrisch neutrale Atome

• positive Protonen verschiben sich in Feldrichtung

• negative Elektronen in Gegenrichtung

• Atome deformiert => Dipol

• Verschiebungspolarisation

• zB Luft, Kunststoffe, Öl, Glas, Porzellan

• Atome sind Dipole

• Ausrichtung in Feldrichtung (in Richtung der Polarisation des elektr Feldes)

• Orientierungspolarisation

• zB Wasser, einige Kunststsoffe wie PVC, Titanoxid-Keramik

b) entgegenwirkendes Feld schwächt das anliegende Feld

E= D/epsilon

polare Stoffe

• höher als die von unpolaren Stoffen

• können von Temperatur und Feldstärke abhängig sein

unpolare Stoffe

• weitgehend unabhängig gegenüber Temperatur und der vorherrschenden Feldstärke

durch

• die elektrische Flussdichte D

• die elektrische Feldstärke E

• das elektrische Potenzial phi

Zwei Elektroden, die voneinander isoliert sind, bilden einen Kondensator.

Q die im Kondensator gespeicherte Ladung

im Kondensator: Q~U

Proportionalitätsfaktor Kapazität C

Q= C*U

C= Q/U

[C]= As/V = F Farad

• ist im elektrischen Feld, also im Volumen gespeichert

• zugeführte Ladung = gespeicherte Ladung

• bei offenem Stromkreis: Kondensator nicht geladen