Artikel über das elektrische Feld
Im Zusammenhang mit elektrischer Ladung wurde gelernt, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, während sich ungleichnamige anziehen. Bringt man einen positiv geladenen Körper in die Nähe eines negativ geladenen, ziehen sich die beiden an und bewegen sich aufeinander zu. Umgekehrt stoßen sich zwei positiv geladene Körper ab und entfernen sich voneinander. Wie im Abschnitt über das Coulomb-Gesetz erläutert, können elektrisch geladene Körper andere elektrisch geladene Körper beschleunigen, da zwischen ihnen eine elektrische Kraft wirkt. Die elektrische Kraft, die ein elektrisch geladener Körper auf einen anderen ausübt, ist ein Beispiel für eine Kraft, die berührungslos wirken kann. Ein weiteres Beispiel für eine Fernwirkung ist die Gravitationskraft . Die Gravitationskraft wirkt von einem Körper mit Masse auf andere Körper mit Masse.
Reibungskraft , Schubkraft und Normalkraft sind leicht verständliche Beispiele für Kräfte, da sie bei Kontakt wirken. Im Gegensatz dazu ist die elektrische Kraft schwer zu verstehen, da sie auch ohne Berührung über eine gewisse Distanz wirken kann. Um diese Fernwirkung zu verstehen, ist das Konzept des elektrischen Feldes hilfreich. Es wurde von dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday (1791–1867) entwickelt.
Definition des elektrischen Feldes (E)
Angenommen, ein Glasstab ist anfänglich elektrisch neutral. Nach dem Reiben mit einem Tuch lädt sich der Glasstab elektrisch auf. Mit der elektrischen Aufladung des Glasstabs entsteht gleichzeitig ein elektrisches Feld um das Glas. Wird das Glas wieder neutral, verschwindet das elektrische Feld. Die Existenz eines elektrischen Feldes (E) ist also untrennbar mit dem Vorhandensein einer elektrischen Ladung verbunden. E ist keine Substanz wie Luft und auch keine Welle wie elektromagnetische Wellen. Ein elektrisches Feld wird durch eine elektrische Ladung verursacht und beeinflusst den Raum um diese Ladung herum, wobei andere elektrische Ladungen lediglich den Einfluss des Feldes spüren.
Um zu testen, ob in einem Raum ein elektrisches Feld (E) vorhanden ist, wird angenommen, dass sich dort eine Testladung befindet. Diese Testladung ist minimal (Q), sodass ihr elektrisches Feld so klein ist, dass es vernachlässigt werden kann. Die Testladung kann jedoch den Einfluss des elektrischen Feldes anderer Ladungen spüren. Sie dient lediglich dazu, das Vorhandensein eines elektrischen Feldes zu untersuchen. Falls ein elektrisches Feld im Raum vorhanden ist,
Die Testladung muss die elektrische Kraft erfahren; wenn kein elektrisches Feld E vorhanden ist, erfährt die Testladung keine elektrische Kraft.
Schauen Sie sich die Figur an der Seite an.
In Abbildung 1 erzeugen die Ladungen +q₁ und +q₂ ein elektrisches Feld (E) im umgebenden Raum. Wird die Testladung +q₀ an einem Punkt im Raum platziert, erfährt sie eine elektrische Kraft. F₁ ist die elektrische Kraft, die von der Ladung + q₁ auf die Testladung +q₀ ausgeübt wird , und F₂ ist die elektrische Kraft, die von der Ladung +q₂ auf die Testladung +q₀ ausgeübt wird . In Abbildung 2 bleibt das elektrische Feld (E) bestehen, wenn die Testladung entfernt wird. E₁ ist das elektrische Feld, das von der Ladung +q₁ erzeugt wird , und E₂ ist das Feld, das von der Ladung +q₂ erzeugt wird.
Die Stärke des elektrischen Feldes
Das elektrische Feld E ist eine Vektorgröße mit Betrag und Richtung. Der Betrag eines elektrischen Feldes wird üblicherweise als Feldstärke bezeichnet. Die Feldstärke an einem Punkt ist definiert als die Kraft, die eine elektrische Ladung auf eine positive Testladung an diesem Punkt ausübt, dividiert durch die Größe der Testladung.
E = elektrische Feldstärke
F = elektrische Kraft
q = Testladung
Die Einheit der elektrischen Kraft ist Newton, und die Einheit der elektrischen Ladung ist Coulomb, sodass die Einheit von E Newton / Coulomb ist, abgekürzt N/C.
Die Richtung des elektrischen Feldes
In Abbildung 1a übt eine positive elektrische Ladung (+Q) eine elektrische Kraft auf die positive Testladung (+q) aus, wobei die Richtung der elektrischen Kraft (F) von der Ladung +Q weg gerichtet ist.
In Abbildung 1b ist zu sehen, dass an diesem Punkt, wenn die Testladung entfernt wird, ein elektrisches Feld (E) entsteht, dessen Richtung von der elektrischen Ladung Q weg gerichtet ist.
In Abbildung 2a übt eine negative elektrische Ladung (-Q) eine elektrische Kraft auf eine positive Testladung (+q) aus, wobei die Richtung der elektrischen Kraft (F) auf die Ladung -Q zusteuert.
In Abbildung 2b ist zu sehen, dass an diesem Punkt, wenn die Testladung entfernt wird, ein elektrisches Feld (E) existiert, dessen Richtung nahezu der elektrischen Ladung -Q entspricht.
Anhand der Abbildung und der obigen Erläuterung lässt sich schließen, dass die Richtung des elektrischen Feldes von der positiven elektrischen Ladung weg und auf die negative elektrische Ladung zu gerichtet ist.
Elektrische Feldlinien
Das elektrische Feld E wird durch eine elektrische Ladung erzeugt und wirkt auf den Raum um diese Ladung herum. Die Wirkung des Feldes ist nur für andere elektrische Ladungen spürbar. Befindet sich eine weitere elektrische Ladung im Bereich des von einer Ladung erzeugten Feldes, so nimmt diese die Wirkung der elektrischen Kraft wahr.
Das oben beschriebene elektrische Feld, wie es im Artikel über das E beschrieben wurde, lässt sich zwar gedanklich erfassen, aber nur in der Vorstellung visualisieren. Um ein E zu veranschaulichen, werden elektrische Feldlinien dargestellt. Diese Linien verlaufen um eine elektrische Ladung und zeigen die Existenz eines elektrischen Feldes an. Da sie die Präsenz eines E verdeutlichen sollen, besteht ein Zusammenhang zwischen diesen Linien und dem E selbst. Anders ausgedrückt: Stärke und Richtung des E lassen sich durch das Zeichnen von elektrischen Feldlinien erklären.
Folgender Zusammenhang besteht zwischen der Richtung und der elektrischen Feldstärke bei elektrischen Feldlinien:
Zunächst bewegt sich die Richtung des elektrischen Feldes E von der positiven Ladung weg und nähert sich der negativen Ladung an. Daher verläuft auch die Richtung der elektrischen Feldlinien von der positiven Ladung weg und nähert sich der negativen Ladung an.
Befinden sich positive und negative Ladungen nebeneinander, verlaufen die elektrischen Feldlinien von der positiven zur negativen Ladung. Umgekehrt verlaufen Feldlinien von zwei positiven Ladungen voneinander weg, wenn zwei positive Ladungen nebeneinander liegen.
Zweitens wird die elektrische Feldstärke durch den Abstand zwischen den elektrischen Feldlinien dargestellt. Je geringer der Abstand zwischen den Feldlinien ist, desto höher ist die elektrische Feldstärke; je größer der Abstand ist, desto geringer ist die elektrische Feldstärke.
Warum ist die elektrische Feldstärke umso höher, je geringer der Abstand zwischen den Feldlinien ist? Um dies zu verstehen, betrachten wir die folgende Erklärung. Angenommen, eine positive Ladung befindet sich im Mittelpunkt einer Kugel und die elektrischen Feldlinien breiten sich in verschiedene Richtungen über die Kugeloberfläche aus. Wenn die Anzahl der Feldlinien N beträgt und die Oberfläche der Kugel 4πr² ist , dann ist die Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit bzw. die Feldliniendichte N / 4πr² . Gemäß dieser Formel gilt: Bei gleichem N verringert sich der Abstand zwischen den Feldlinien, wenn r kleiner wird, und vergrößert sich, wenn r größer wird.
Die Formel für die elektrische Feldstärke E = kq / r² zeigt auch, dass die elektrische Feldstärke umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist. Je kleiner r ist, desto stärker ist die elektrische Feldstärke; je größer r ist, desto schwächer ist die elektrische Feldstärke.
Aus der obigen Betrachtung lässt sich schließen, dass mit abnehmendem r (Annäherung an die Ladung) die elektrische Feldstärke zunimmt und der Abstand zwischen den Feldlinien sich verringert. Umgekehrt nimmt die elektrische Feldstärke ab und der Abstand zwischen den Feldlinien zu, wenn r größer wird (weitere Entfernung von der Ladung).
Drittens ist die Anzahl der Feldlinien proportional zur elektrischen Feldstärke. Je mehr Feldlinien vorhanden sind, desto höher ist die elektrische Feldstärke. Je weniger Feldlinien vorhanden sind, desto geringer ist die elektrische Feldstärke.
