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Elektrische Ladungen und Felder

Dabei konzentrieren wir uns auf sogenannte KraftFelder, zu denen elektrische Felder gehören. Dazu kann man folgende Definition angeben:

Merke

Ein Kraftfeld lässt sich durch eine Größe (Vektor) in Abhängigkeit von Raum und Zeit beschreiben, die man als Feldstärke bezeichnet. Jenes Kraftfeld führt dann dazu, dass ein entsprechender Probekörper im Raum eine Kraft verspürt.

Die zum elektrischen Feld gehörige elektrische Feldstärke wird per Konvention mit $\vec{E}$ bezeichnet.

Es zeigt sich, dass die auf einen Körper ausgeübte elektrische Kraft $\vec{F}$ mit der elektrischen Ladung $q$ zusammenhängt, welche der Körper trägt. Es erscheint daher sinnvoll, wenn wir die relevanten Eigenschaften der elektrischen Ladung zusammenstellen.

Merke

Eigenschaften der Ladung

  • Ladungen treten in zwei Arten auf, die man als positiv (+) und negativ (-) bezeichnet.
  • Die Ladung ist eine sogenannte physikalische Erhaltungsgröße. Dies bedeutet, dass Ladung in einem abgeschlossenen physikalischen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann; man sagt, dass die Ladung erhalten bleibt.
  • Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab und ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
  • Beobachtbare Ladungen sind gequantelt; das bedeutet, dass Ladungen stets als Vielfache der Elementarladung $e=-1,6\times10^{-19}C$ (Coulomb) auftreten. (Das Minuszeichen bedeutet, dass das Elektron negativ geladen ist.)

Betrachten wir nun einen Körper mit der Ladung $q$, der sich innerhalb dieses Feldes bewegt, so wird er eine Kraft $\vec{F}$ verspüren. Diese Situation kennen wir aus Experimenten, bei denen sich gleichnamige Ladungen abstoßen und ungleichnamige Ladungen anziehen. Die Abstoßung (Repulsion) und Anziehung (Attraktion) resultieren gerade aus jener Kraftwirkung.

Video: Elektrische Ladungen und Felder

Erläuternd wird hier eine kurze Definition des Feldbegriffs gegeben. Ausgehend hiervon wird das Kraftgesetz auf Ladungen in elektrischen Feldern formuliert.

Hält man nun die Feldstärke $\vec{E}$ konstant und variiert die Ladungen der Probekörper, so stellt man ein proportionales Anwachsen der elektrischen Kraft $\vec{F}$ fest und es ergibt sich folgendes Gesetz

Gut zu wissen

$\vec{F}=q\vec{E}$

Kennt man nun die Feldstärke $\vec{E}$ in einem Raumpunkt, so lässt sich mit der angegebenen Formel die Kraft $\vec{F}$ auf einen Körper der Ladung $q$ in jenem Raumpunkt berechnen.

In unserem dreidimensionalen physikalischen Anschauungsraum lassen sich die Vektoren komponentenweise ausschreiben. Man erhält damit folgende Darstellung:

Gut zu wissen

$\left(\begin{array}{c} F_x\\F_y\\F_z \end{array}\right)=q\left(\begin{array}{c} E_x\\E_y\\E_z\end{array}\right)$

$F_x$, $F_y$ und $F_z$ sind dabei die Komponenten der Kraft in den Richtungen $x$, $y$ und $z$. Analog sind $E_x$, $E_y$ und $E_z$ Komponenten des elektrischen Feldes in den entsprechenden Richtungen.

Video: Elektrische Ladungen und Felder

Erläuternd wird hier eine kurze Definition des Feldbegriffs gegeben. Ausgehend hiervon wird das Kraftgesetz auf Ladungen in elektrischen Feldern formuliert.

Da die Physik stets Messungen erfordert, muss man entsprechende Einheiten definieren. Aus der obigen Beziehung zwischen $\vec{F}$ und $\vec{E}$ folgt: Da Kräfte in Newton $(N)$ und Ladungen in Coulomb $(C)$ angegeben werden, erhält man als Einheit der elektrischen Feldstärke Newton/Coulomb $(\frac{N}{C})$.

Merke

Die vektorielle Feldgröße $\vec{E}$

Das elektrische Feld wird durch die elektrische Feldstärke $\vec{E}$ beschrieben. Aus der Formel zwischen elektrischer Feldstärke $\vec{E}$, Ladung $q$ und elektrischer Kraft $\vec{F}$ ergibt sich die Einheit für die Feldstärke:

$1\frac{N}{C}$

Dabei steht $N$ für die Einheit der Kraft (Newton) und $C$ für die Einheit der Ladung (Coulomb).

Vorstellung des Online-Kurses Ladungen und FelderLadungen und Felder
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Ladungen und Felder

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

  • Feldkonzept- allgemeiner Überblick
    • Einleitung zu Feldkonzept- allgemeiner Überblick
    • Skalarfeld
    • Vektorfeld
  • Elektrische Ladungen und Felder
    • Einleitung zu Elektrische Ladungen und Felder
    • Elektrische Feldkonfigurationen
      • Einleitung zu Elektrische Feldkonfigurationen
      • Radialsymmetrisches Feld
      • Homogenes Feld
    • Arbeit im elektrischen Feld
    • Eigenschaften des elektrischen Feldes
  • Elektrische Ströme und magnetische Felder
    • Einleitung zu Elektrische Ströme und magnetische Felder
    • Lorentz-Kraft auf stromdurchflossene Leiter
    • Magnetische Feldkonfigurationen
  • Bewegungen von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern
    • Einleitung zu Bewegungen von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern
    • Braunsche Röhre
    • Wien-Filter
    • Fadenstrahlrohr
    • Hall-Effekt
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