Konzept der Feldlinien – elektrisches Feld
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Grundlagen zum Thema Konzept der Feldlinien – elektrisches Feld
In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem elektrischen Feld. Du erfährst, was man genau unter einem elektrischen Feld versteht und durch welche Größen es beschrieben werden kann. Danach wenden wir uns der Darstellung solcher Felder zu. Da es sich bei elektrischen Feldern um so genannte Vektorfelder handelt bedient man sich bei ihrer Darstellung der Feldlinien. Du lernst somit auch das Konzept der Feldlinien samt ihrer „Regeln“ kennen. Zum Schluss werden noch die Felder von Punkt- und Flächenladungen gezeigt.
Transkript Konzept der Feldlinien – elektrisches Feld
Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Heute haben wir das erste Video zum Thema Elektrizität und Magnetismus, in dem wir uns das elektrische Feld genauer ansehen wollen. Wir lernen heute: Was ein elektrisches Feld ist, wie man es darstellen kann und wie z. B. die elektrischen Felder zwischen Punktladungen oder geladenen Ebenen aussehen. So, dann mal ab zu Frage 1. Was ist denn ein elektrisches Feld? So kurz wie möglich erklärt: Ein elektrisches Feld ist ein Feld, das durch die Coulombkraft auf geladene Körper wirkt. Das heißt, wenn ich einen geladenen Körper nehme, z. B. ein Elektron, und ihn in ein elektrisches Feld stelle, dann wird dort eine Kraft wirken, die mein Elektron beschleunigt. Elektrische Felder werden entweder durch Ladungen erzeugt oder durch sich verändernde Magnetfelder. Weiteres aber wird erst später erklärt, wir wollen uns heute mal nur auf die Ladungen konzentrieren. Es muss außerdem noch angemerkt werden, das ein elektrisches Feld durch zwei verschiedene Vektorfelder beschrieben wird: Die elektrische Feldstärke E und die elektrische Flussdichte D. In den meisten Fällen ist das aber gar nicht so verwirrend, wie es klingt, denn wenn man sich nämlich in gleichbleibendem Material, also Vakuum, Wasser oder Luft, befindet, dann zeigt die Feldstärke immer in genau die gleiche Richtung wie die Flussdichte. So, aber wie sieht denn nun so ein Feld aus? Vektorfeld bedeutet ja, dass ich für jeden Punkt im Raum einen Vektor erhalte, das heißt, eine Richtung und eine Länge. Für die Feldstärke bedeutet das z. B. die Kraft, die an diesem Punkt im Raum auf eine Ladung wirkt. Wie kann ich das anschaulich darstellen? Eine Möglichkeit ist natürlich einfach an jedem Punkt im Raum einen Pfeil zu zeichnen. Dann würde ich zum Beispiel ungefähr so etwas erhalten. Nicht sehr übersichtlich, ich weiß. Deshalb kam Michael Farraday auf Idee, statt dessen Feldlinien zu verwenden. Das heißt, die Bahnen, auf denen sich in diesem Fall eine Ladung bewegen würde, wenn keine einzige andere Kraft wirkt, also auch nicht die Schwerkraft zum Beispiel. Wollen wir uns das Ganze doch mal an einem einfachen Beispiel ansehen, nämlich an einem Proton, ein kleiner, positiv geladener Punkt. Egal ob sie links oder rechts vom Proton sitzt oder oben oder unten, eine andere positive Ladung würde einfach geradlinig vom Proton wegbeschleunigt werden. Das heißt, meine Feldlinien führen einfach strahlenförmig vom Proton weg, das sieht ungefähr so aus. Feldlinien veranschaulichen also die auf eine Probeladung ausgeübte Kraft. In welche Richtung die kleinen Pfeile an den Linien zeigen, darf man sich übrigens nicht aussuchen. Es ist festgelegt, dass Feldlinien von + nach - laufen, bzw., wenn es nur eins von beidem gibt, von + weg oder zu - hin. Eine weitere Eigenschaft ist, dass die Feldliniendichte proportional zur elektrischen Feldstärke ist. Das ist eigentlich ja auch ganz logisch. Wie ihr seht, ist direkt am Proton deutlich mehr an Feldlinien pro Fläche als weit weg davon. Dort ist das Feld ja auch stärker, es nimmt mit der Entfernung nämlich immer mehr ab. Was auch sehr wichtig ist, und oft nicht gleich verstanden wird: Feldlinien schneiden sich nicht. Warum sie das nicht tun, ist eigentlich ganz einfach. Feldlinien symbolisieren ja nur die Richtung der Kraft, die im Feld wirkt. Das heißt, wenn ich einen Schnittpunkt hätte, würden an dieser Stelle ja zwei verschiedene Kräfte wirken. Da ich meine Feldlinien aber erst zeichnen darf, wenn ich an jeder Stelle die resultierende Kraft, also die Summe aller wirkenden Kräfte, ausgerechnet habe, muss ich also etwas fundamental falsch gemacht haben, wenn sich zwei Feldlinien schneiden. Außerdem würde das z. B. bedeuten, dass eine Ladung, die an den Schnittpunkt kommt, sich entscheiden kann, ob sie nach links oder rechts laufen will, was ja auch gar keinen Sinn macht. So, als Letztes sei noch angemerkt, um Verwechslungen auszuschließen, die Feldlinien stehen immer senkrecht auf den Äquipotenzialflächen - oder Äquipotenziallinien, je nachdem. Das sind die Flächen - oder Linien - auf denen die potenzielle Energie gleich hoch ist. Damit ihr wisst, was ich meine, hab ich sie in unser Beispiel von vorhin mal eingezeichnet. Hier ist ein kleines Beispiel für den Unterschied zwischen den beiden. Stellt euch vor, ihr habt einen Berg und lasst auf allen verschiedenen Seiten Murmeln herunterrollen. Den Pfad, den die Murmel nimmt, zeichnet ihr in einer Landkarte ein. Das sind die Feldlinien. Andererseits könnt ihr aber auch die Linien, an denen der Berg genau 100m, 200m, 300m, 400m hoch ist, einzeichnen. Das sind die Äquipotenziallinien. So. Zum Schluss wollen wir uns jetzt noch ein paar Beispiele für elektrische Felder ansehen. Gerade haben wir uns die Feldlinien einer einzigen positiven Ladung angesehen. Wie verändert sich nun das Ganze, wenn ich stattdessen eine positive und eine negative Ladung nehmen? Die Feldlinienverteilung sieht in diesem Fall ungefähr so aus: Als Nächstes hab ich auf der linken Seite zwei positive nebeneinander und auf der rechten Seite zwei negative nebeneinander hingestellt. Beim genaueren Betrachten der Feldlinienverteilung für diese Anordnung bemerkt ihr vielleicht, in der Mitte des Bildes, zwischen den beiden positiven und den beiden negativen, sind die Feldlinien fast parallel. Das heißt, ich habe ein relativ gleichbleibendes Feld. So ein gleichbleibendes - man sagt auch homogenes - Feld, ist natürlich toll, weil man relativ leicht berechnen kann, was darin passiert. Deshalb möchte ich euch als letztes Beispiel zeigen, was bei dieser Anordnung hier passiert. Ich habe einfach zwei Ketten aus 36 gleich starken Ladungen, oben positiv und unten negativ, übereinander postiert. Die Feldlinien sehen für diese Anordnung so aus. Das heißt also, wenn ich 2 parallele, entgegengesetzt geladene Flächen habe, dann entsteht dazwischen ein homogenes elektrisches Feld. Man nennt diese Anordnung auch einen Plattenkondensator. Und aus diesem Grund ist er so beliebt. Mehr dazu erfahrt ihr im Film über den Plattenkondensator, für heute reicht es erst mal. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Das elektrische Feld wirkt durch die Coulombkraft auf in ihr befindliche Ladungen. Es lässt sich gut mithilfe von Feldlinien darstellen, die die Richtung der Kraft auf eine Ladung im Feld veranschaulichen. Zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Platten - also z. B. in einem Plattenkondensator - entsteht ein gleichmäßiges - man sagt auch homogenes - elektrisches Feld. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.
Konzept der Feldlinien – elektrisches Feld Übung
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Gib an, was man unter einem elektrischen Feld versteht.
TippsWas weißt du über die Coulombkraft?
Wie verhalten sich zwei negative Ladungen zueinander?
LösungDas elektrische Feld ist ein physikalisches Feld (wie auch das Magnetfeld oder Gravitationsfeld), das durch die Coulombkraft auf elektrische Ladungen wirkt.
Ein solches Feld kann dabei auf zwei Wegen erzeugt werden. Entweder durch eine Ladung selbst (wie beispielsweise einem Proton) oder durch ein sich veränderndes Magnetfeld.
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Gib den richtigen Verlauf der Feldlinien einer Ladung an.
TippsPositive Ladungen werden mit einem Plus und negative mit einem Minus dargestellt.
Feldlinien haben immer eine Richtung.
LösungDas elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. Zur grafischen Veranschaulichung zeichnet man sogenannte Feldlinien ein, welche wichtige Eigenschaften eines elektrostatischen Feldes wiedergeben.
Diese Feldlinien haben immer eine Richtung, welche durch kleine Pfeile auf den Linien angegeben wird. Die beiden Bilder mit den konzentrischen Kreisen ohne Richtung können somit ausgeschlossen werden.
Weiterhin verlaufen Feldlinien immer von der positiven Ladung zur negativen Ladung.
Somit kann das Bild, in welchem die Pfeile zur negativen Ladung zeigen, ebenfalls ausgeschlossen werden.
Richtig ist nur die Antwort, in welcher die Pfeile von der positiven Ladung weg gerichtet sind.
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Gib an, was man unter einem homogenen elektrischen Feld versteht.
TippsWie sieht ein Kondensator aus und was ist an diesem so besonders?
Homogene elektrische Felder lassen sich besonders gut in Kondensatoren untersuchen.
Kondensatoren bestehen im Wesentlichen aus zwei parallelen Metallplatten, welche unterschiedlich geladen sind.
LösungBei elektrischen Feldern unterscheidet man zwischen homogenen elektrischen Feldern und inhomogenen elektrischen Feldern. Dabei verlaufen die Feldlinien unterschiedlich.
Um zu verstehen, was ein homogenes Feld ist, hilft es, sich einen Kondensator anzuschauen.
Rechts ist ein Schema eines Plattenkondensators zu sehen. Dieser besteht aus zwei Metallplatten, welche durch einen Isolator, dem sogenannten Dielektrikum (z.B. Luft oder Keramik), getrennt sind. Die linke Seite ist hierbei positiv und die rechte Seite negativ geladen. Zwischen beiden Platten entsteht somit ein elektrisches Feld mit ganz bestimmten Eigenschaften.
Bei einem solchen homogenen Feld verlaufen die Feldlinien eines elektrischen Feldes an allen Stellen parallel, gleich gerichtet und gleich dicht. Die Kraft auf einem Probekörper in dem Feld ist an allen Stellen gleich.
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Gib an, warum gerade homogene elektrische Felder so wichtig für Physiker sind.
TippsWelche Eigenschaften haben Feldlinien?
Was ist das Besondere an einem Kondensator?
LösungBei elektrischen Feldern unterscheidet man zwischen homogenen und inhomogenen elektrischen Feldern. Dabei verlaufen die Feldlinien unterschiedlich.
Bei einem homogenen Feld verlaufen die Feldlinien eines elektrischen Feldes an allen Stellen parallel, gleich gerichtet und gleich dicht. Die Kraft auf einem Probekörper in dem Feld ist an allen Stellen gleich.
Diese vereinfachte Struktur des Feldes hat den Vorteil, dass Berechnungen besonders simpel sind und der mathematische Aufwand kleiner ist.
Aus diesem Grund sind auch Kondensatoren, in welchen immer homogene Felder zu finden sind, sehr zentrale und beliebte Bauteile der Elektronik.
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Gib an, in welche Richtung Feldlinien verlaufen.
TippsStelle dir eine Ladung mit einem elektrischen Feld vor. Lassen sich alle Antworten oben eindeutig zuordnen?
Wo ist beispielsweise die rechte Seite einer Ladung?
LösungDas elektrische Feld ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem Kräfte auf Ladungen ausgeübt werden. Zur grafischen Veranschaulichung zeichnet man so genannte Feldlinien ein, welche wichtige Eigenschaften eines elektrostatischen Feldes wiedergeben.
Diese Feldlinien haben immer eine Richtung, welche durch kleine Pfeile auf den Linien angegeben wird. Feldlinien verlaufen immer von der positiven Ladung zur negativen Ladung.
Somit gilt: Feldlinien im elektrischen Feld verlaufen immer von plus nach minus.
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Gib die Eigenschaften von Feldlinien an.
TippsZeichne ein Proton, ein Elektron und die dazugehörigen Feldlinien auf einen Zettel und überprüfe die Aussagen oben.
LösungUm die Aufgabe lösen zu können, hilft es dir sicherlich, ein Proton, ein Elektron und die dazugehörigen Feldlinien auf einem Zettel zu zeichnen, um die Aussagen oben zu überprüfen.
Ergebnis: Alle fünf Aussagen sind wahr. Feldlinien...- veranschaulichen die auf einen Probekörper ausgeübte Kraft
- verlaufen von plus nach minus
- besitzen eine Feldliniendichte proportional zur Feldstärke
- schneiden sich nicht
- stehen immer senkrecht auf den Äquipotentialflächen
Coulombsches Gesetz
Konzept der Feldlinien – elektrisches Feld
Elektrische Feldstärke E
Elektrisches Feld punktförmiger Ladungen
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Spannung und Energie
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Flächenladungsdichte
Plattenkondensator – homogenes elektrisches Feld
Plattenkondensator – Kapazität
Plattenkondensator – Lade- und Entladevorgang
Plattenkondensator (Übungsvideo)
Dielektrikum und seine Permittivität
Zwei Kondensatoren
Rechnen mit Kondensatoren
Energie des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators
Arbeit und Energie im elektrischen Feld
Faraday und der Elektromagnetismus – es war einmal Forscher und Erfinder (Folge 14)
Elektrische Flussdichte – beim Plattenkondensator
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einfach nur geil
Hallo Rainer Kubach,
bis zum Ørsted-Versuch, waren der Magnetismus und die Elektrizität zwei komplett getrennte Phänomene.
Ørsted stellte aber fest, dass ein von Gleichstrom durchflossener Leiter eine Kompassnadel ablenkt. Und das diese Ablenkung mit steigender Stromstärke größer wird.
Er konnte nachweisen, dass der elektrische Strom ein Magnetfeld erzeugt.
Liebe Grüße aus der Redaktion.
Was ist der orsted Versuch
Und was passiert wenn es zwei gleich geladene Teilchen gibt, also zwei Minusteilchen wie sehen dann die Feldlinien aus?
Super Video !
Nur eine Frage: kann man eigentlich im elektrischen Feld auch die rechte Hand Regel anwenden (UVW-Regel )?