Elektrisches Feld

Elektrische Ladungen üben eine Wirkung auf elektrische Ladung in ihrer Umgebung aus. Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, während ungleichnamige Ladungen einander anziehen. Die Ursache von „Ladung“ liegt in einer nicht ausgeglichenen Ladungsbilanz. Atome bestehen Hülle, die sich aus negativ geladenen Elektronen besteht, sowie einem Kern, der aus positiv geladenen Protonen besteht. Zu den Protonen des Kern können sich noch ungeladenen Neutronen gesellen. Die Größe der Ladung eines Elektrons entspricht betragsmäßig genau der Ladung eines Protons, wobei dem Elektron nicht nur eine dem Vorzeichen nach umgekehrte, also „negative“ Ladung sondern auch eine erheblich größere Beweglichkeit zugeschrieben wird.

Li ion.svg
Von Rainald62Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link

Elektronen können, müssen aber nicht beweglich sein. Um Beweglichkeit zu erlangen und damit Leitfähigkeit in einem Material herzustellen, sollten sie sich entweder im Leitungsband des Materials befinden oder dorthin aktiviert werden können. Metalle zeichnen sich durch elektrische Leitfähigkeit aus. Bei ihnen befindet sich eine Anzahl der Elektronen auf der Außenschale ihrer Atome auf einem dem Leitungsband entsprechenden Niveau. Auch einige Nichtmetalle (Graphen) können ein derartiges Verhalten (Leitfähigkeit) zeigen.

Neben den Metallen können auch Nichtmetalle zur Leitung eines Stroms beitragen, wenn sie als Ionen vorliegen. Unabhängig von ihrem Vermögen elektrischen Strom zu leiten, können viele Stoffe Ladung tragen (sich aufladen) und wieder abgeben. Eine Ladungstrennung kann elektrisch, magnetisch, aber auch mechanisch erfolgen. Bei isolierendem Schuhwerk kann ein in trockener Umgebungsluft über den Kopf gezogener Pullover zur Aufladung der Haare und des Körpers führen. Ein Teil „Ladung“ nimmt der Pullover mit, wenn er abgelegt wird. Die gegennamige Ladung verbleibt auf dem Körper, der bei einer bestimmten Kapazität eine gewissen Ladung aufnimmt und dadurch ein verändertes Potenzial annimmt. Im Kontext mit den Dingen der Umgebung bildet diese Ladung ein elektrisches Feld aus.

Informationen zu Grundlagen elektrischer Felder: Elektronik-Kompendium (elektrisches Feld) und Wikipedia (elektrisches Feld).

Einen intensiven Einblick vermittelt das Wikibook „Einführung in die Theoretische Physik“ Band: Elektrostatik.

Phänomene der Elektrostatik begleiten den Alltag und stellen für biologische wie technische Tätigkeiten eine latente Gefahr dar.

Bei dem ab Minute 4:50 gezeigten Aufbau handelt es sich um eine Art Elektroskop. Wie der Aufbau des Experiments ab Minute 0:56 zeigt, durchdringt die im Versuch wirksame Kraft das isolierende Glas.

Feldlinien verbinden Orte entgegengesetzter Potenzial. Orte gleichnamiger Potenziale stören den Weg der Feldlinien gleichnamiger Potenziale. Bestimmte Materialien sind geeignet Feldlinien zu führen. Magnetische Feldlinien sammeln sich in magnetisierbaren Materialien wie Eisen. Eisen leitet magnetische Einflüsse. Elektrisch leitendes Material sollte demnach in der Lage sein, elektrische Feldlinien zu sammeln. Das folgende Video stellt einen Weg vor, Punkte gleichen elektrischen Potenzials in einem stromdurchflossenen Leiter darzustellen. Feldlinien verlaufen senkrecht zu Ebenen / Linien gleichen Potenzials. Die Dichte der Äquipotenziallinien gibt Auskunft über das die lokale Stärke des elektrischen Feldes.

Elektrische Felder und die für sie ursächlichen Ladungen können am Ort verharren oder sich bei Vorhandensein geeigneter elektrischer Leiter in Form eines Stroms von einem Ort mit anheftender Ladung zu einem Ort mit gegengleicher Ladung begeben. Die bewegten Ladungsteilchen sind in der Regel die Elektronen. Ihren Fluss zum Ort entgegengesetzter Ladung wird als elektrischer Strom bezeichnet. Das Potenzial der betreffenden Orte nimmt ab.

Die oben genannten Quellen beschreiben zudem einen Zusammenhang zwischen der Geometrie der Ladungsträger, des Abstands zwischen den ungleichnamigen Ladungsträgern sowie des Materials, welches den Zwischenraum ausfüllt (Dielektrikum).

Mechanisch-Variable-Kondensatoren.png
Von ElcapEigenes Werk, CC0, Link

Die obige Abbildung zeigt Bauformen von Kondensatoren mit variabler Kapazität.

Der Kondensator ist ein elektronisches Bauteil, in dem die genannten Eigenschaften so zusammengefasst sind, dass sie konstruktiv verwendbar sind. Grundlegenden Informationen zu Bauformen und Typen von Kondensatoren finden sich zum Beispiel in der Wikipedia oder im Elektronik-Kompendium.

25.11.2018 Fortsetzung und praktischer Teil folgen zeitnah.