Elektrisches Feld und elektrische Spannung

M P - Inhaltsverzeichnis - Grundlagen elektrischer Erscheinungen im Organismus

Elektrisches Feld und elektrische Spannung

Coulombsche Kraft und Coulombsches Gesetz

Elektrisches Feld und Feldformen

Elektrisches Potential und elektrische Spannung

Nullpotential und "Erden"

Das elektrische Gleichfeld der Erde

Materie im elektrischen Feld

(Siehe Taschenatlas Physik für Mediziner Kap.26)

Coulombsche Kraft und Coulombsches Gesetz

Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Die Coulombsche Kraft F_c ist proportional dem Produkt der beiden Ladungen Q₁ und Q₂ und verkehrt proportional dem Quadrat des Abstandes r²:
- Coulombsches Gesetz :
- Die Proportionalitätskonstante k hängt von dem Medium ab.
Sind mehrere Ladungen vorhanden, addieren sich die Coulombschen Kräfte vektoriell.
Das Coulombsche Gesetz hat die gleiche Form wie das Gravitationsgesetz.

Elektrisches Feld und Feldformen

Jede elektrische Ladung ist von einem elektrischen Feld umgeben.
Das elektrische Feld ist ein Vektorfeld.
- Die elektrische Feldstärke um eine Ladung Q₁ ist gleich der Coulombkraft auf die Ladung Q₂=1.
  - E = Fc/Q₂ = k·Q₁/r²
  - Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist 1 V/m.
  - In einem elektrischen Feld wirkt auf jede elektrische Ladung eine Kraft Fc = Q·E.
Ist die zweite Ladung frei beweglich, wird sie durch die wirkende Kraft verschoben:
- In Leitern werden Elektrische Verschiebungsströme durch ein elektrische Felder hervorgerufen.
- In Isolatoren kommt es zur dielektrischen Polarisation der Moleküle.

Elektrische Felder entspringen per definitionem in positiven Ladungen (Quellen) und münden in negativen elektrischen Ladungen (Senken).
Ein elektrisches Feld kann
- durch Feldlinien = Linien gleicher Feldstärke und
- durch Äquipotentiallinien = Linien gleich Potentials veranschaulicht werden.
Wichtige elektrische Feldformen sind
- das elektrische Feld einer Punktladung,
- das elektrische Feld eines elektrischen Dipoles,
- das elektrische Kondensatorfeld.
Wir unterschieden homogene und inhomogene Felder.
- Homogene Felder haben parallele Feldlinien und konstante Feldliniendichte.
- An Spitzen drängen sich wegen der hohen Oberflächenladung die Feldlinien zusammen, es entsteht ein inhomogenes Feld mit hohen Feldstärken.
- Wir unterscheiden
  - die zeitlich konstanten elektrostatischen Felder und
  - die zeitlich veränderlichen Wechselfelder (nieder-, hoch- und höchstfrequente Felder)

Elektrisches Potential und elektrische Spannung

Das elektrische Feld kann anstelle der elektrischen Feldstärke durch das elektrische Potential charakterisiert werden.
Das elektrische Potential ist die Arbeit, die notwendig ist (die frei wird), um die Einheitsladung aus dem unendlichen an eine Position im elektrischen Feld zu bringen.
Die elektrische Spannung ist die elektrische Potentialdifferenz = Differenz der elektrischen potentiellen Energie zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld.
- Die Einheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt.
Der elektrische Feldgradient = elektrische Feldstärke ist der Quotient aus elektrischer Potentialdifferenz und dem Abstand der beiden Feldpositionen.
- Die Einheit des elektrischen Feldgradienten ist V/m.

Nullpotential und "Erden"

Für praktische Anwendungen wird das elektrische Potential der Erdoberfläche als Nullpotential festgelegt.
- Alle anderen Potentiale werden als "positiv" oder "negativ" auf dieses Erdpotential bezogen.
- "Erden" bedeutet, ein Objekt leitend mit der Erde zu verbinden, um es auf das definierte Potential Null oder auf 0V zu setzen.
Das "Erden" stromführender Elektrogeräte ist eine Schutzmaßnahme in Verbindung mit einem Fehlerstromschutzschalter, damit zwischen einem leitenden Gehäuse und der Erde keine gefährliche Spannung auftreten kann.

Das elektrische Gleichfeld der Erde

Die Erde besitzt eine negative Ladung von -5,77·10⁵ C.
Zwischen der gut leitenden Ionosphähre in 60-80km Höhe und der Erdoberfläche herrscht ein elektrostatisches Gleichfeld.
- Zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche existiert eine elektrische Gleichspannung von 200 - 300 kV.
- Das elektrische Gleichfeld verändert sich mit den Jahreszeiten, mit dem Wettergeschehen und mit dem Ort.
Die elektrische Feldstärke = der elektrische Feldgradient beträgt
- im Schönwetterfeld über dem flachen Land 135 V/m,
  - über dem Wasser 126 V/m,
- bei Gewittern bis zu 10.000-20.000 V/m.
Die Feldlinien des elektrischen Gleichfeldes verlaufen senkrecht zur Erdoberfläche.
- Die Äquipotentialflächen verlaufen parallel zur Erdoberfläche.
- Häuser, Bäume usw. bilden zusammen mit der Erdoberfläche eine Äquipotentialfläche.
- Über den Spitzen dieser Objekte kommt es zu hohen Feldstärken.
- Häuser und Autos wirken gegenüber dem elektrischen Gleichfeld wie ein Faradayscher Käfig.

Materie im elektrischen Feld

An Leitern im elektrischen Feld tritt Influenz auf.
An Isolatoren beobachten wir die Dielektrische Polarisation.
Influenz ist die Ladungstrennung auf einem Leiter im elektrischen Feld.
- Die Ladungen werden an einem Leiter so lange verschoben, bis die Feldstärke im Inneren des Leiters Null wird.
- An der Leiteroberfläche treten entgegengesetzte Influenzladungen auf.
- Als Faradayschen Käfig bezeichnen wir einen Raum, der durch eine geerdete Umhüllung aus Metall im Inneren frei von elektrischen Feldern ist.
An einem Isolator ruft ein äußeres elektrisches Feld entweder eine Verschiebungspolarisation oder eine Orientierungspolarisation hervor.
- Bei der Verschiebungspolarisation polarisiert das elektrische Feld die zuvor neutralen Atome oder Moleküle.
- Bei der Orientierungspolarisation werden permanente Dipole des Isolators im elektrischen Feld ausgerichtet.

Begriffe:	    Coulombsches Gesetz	   	    Elektrisches Feld
Vektorfeld	    Elektrische Feldstärke	    Verschiebungsstrom 
Potentialdifferenz  elektrisches Potential	    dielektrische Polarisation
Nullpotential	    positives (negatives) Potential Erden 
Feldgradient	    elektrisches Gleichfeld	    Faradayscher Käfig 
Influenzladung	    Verschiebungspolarisation       Orientierungspolarisation