In dieser Sendung von Telekolleg-Physik wird analog zum Vorgehen bei der Gravitation für die Kraftwirkung zwischen Ladungen ein Gesetz angegeben und daraus der Begriff des elektrischen Feldes abgeleitet. Die Sendung beschäftigt sich ferner mit verschiedenen Typen von Feldlinienbildern und dem Begriff der elektrischen Feldstärke. Sie gliedert sich in folgende Abschnitte:
Mit einem Experiment
wird die Abhängigkeit der elektrischen Kraftwirkung vom Abstand zwischen beiden
Ladungen untersucht. Die Auswertung der Messkurve
liefert eine 1/r2-Abhängigkeit. Es ist plausibel, dass die
elektrische Kraft außerdem proportional ist zu jeder der beiden Ladungen
q und Q und damit fehlt für die Kraftformel nur noch der
Proportionalitätsfaktor. In einem anderen Zusammenhang wurde von Physikern die
elektrische Feldkonstante 
eingeführt. Eine theoretische
Herleitung des Kraftgesetzes
liefert deshalb den seltsamen Ausdruck 1/(4
) für den Proportionalitätsfaktor.
Dieses Gesetz wurde von dem gleichen Physiker gefunden nach dem schon die
Einheit der Ladung benannt ist. Darum spricht man von Coulomb-Kräften.
Die Struktur des Coulomb-Gesetzes ist nicht zufällig völlig analog zum Gravitationsgesetz.
Beide Male geht es um die Kraftwirkung zweier Körper, die man sich vereinfacht
als punktförmig vorstellen darf. Das Produkt von Ladungen bzw. von Massen in den
Zählern ist plausibel. Die 1/r2-Abhängigkeit kann später mit dem
Begriff des elektrischen Feldes anschaulich erklärt werden. Am Beispiel eines Elefantenpärchens
werden die Größenordnungen der elektrischen und der gravitativen Kräfte
verglichen. Auch bei sehr großen Massen und vergleichsweise geringen Ladungen überwiegt
die elektrische Kraft. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Größen für die
Faktoren: 1/(4
)
ergibt im SI-System etwa 1010; dagegen ist die Gravitationskonstante
mit etwa 10-10 sehr viel kleiner. Die Tatsache, dass wir im Alltag
selten elektrische Kräfte, vor allem jedoch Gravitationskräfte beobachten, lässt
darauf schließen, dass die Gegenstände meistens ungeladen sind.
Ein Experiment verdeutlicht, warum die Wortwahl "Feld" sehr passend ist. Um
eine stark positiv geladene Kugel sind Trinkhalme
aus Kunststoff angeordnet. In diesen verschieben sich aufgrund der
Kraftwirkungen zur Kugelladung die positiven Ladungen nach außen, die negativen
Ladungen nach innen. Es entsteht ein sogenannter elektrischer Dipol, der die
Richtung der Kraftwirkung anzeigt. Das sieht ähnlich aus, wie die Halme in einem
Kornfeld, in das der Wind Wirbel geblasen hat. Wenn wir nun beim Coulomb-Gesetz
annehmen, dass eine Ladung sehr viel größer ist als die andere, dann gelangen
wir zum Begriff des elektrischen
Feldes. Die kleine Ladung q bezeichnen wir als Probeladung, die im
Raum um die große Ladung Q eine Kraft verspürt. Eine Feldlinie zeigt die
Kraftrichtung an, die Dichte der Feldlinien ist ein Maß für die Stärke der
elektrischen Kraft in diesem Bereich. Verdoppelt man den Radius, dann
vervierfacht sich die Fläche einer Kugel um den Mittelpunkt des
radialsymmetrischen Feldes. Dies ist die oben versprochene anschauliche
Erklärung für die 1/r2-Abhängigkeit der elektrischen Kraft. Mit
radialen Feldern von positiven und negativen Punktladung als Bausteine lassen
sich die Felder von beliebigen Ladungsanordnungen konstruieren, z.B. das Feld
eines Dipols.
Grieskörner, die in Öl schwimmen, eignen sich, um die Feldlinien verschiedener
Ladungsanordnungen sichtbar zu machen. Dabei verhalten sich die ungeladenen
Grieskörner wie kleine
Dipole, die sich entlang der Kraftrichtungen aneinander reihen. Als nächstes
wird das Feld zweier gleich
geladener Kugeln betrachtet. Hier scheinen sich die Feldlinien im
Zwischenbereich abzustoßen. Eine Gewitterwolke
über der Metallkarosserie eines Autos zeigt ein sehr komplexes Feld. Besonders
interessant ist dabei, dass das Innere feldfrei bleibt. In diesem "Faraday
Käfig" ist man sehr sicher. Für spätere Sendungen wird oft der Sonderfall eines
homogenen
Feldes im Mittelpunkt stehen. Dieser Feldtyp entsteht zwischen parallel
angeordneten, verschieden geladenen Platten.
Die Stärke eines elektrischen Feldes definiert man natürlicher Weise über die
Kraftwirkung auf eine Probeladung. Damit aber die Größe der Probeladung ohne
Einfluss bleibt, wird der Quotient
aus Kraft und Probeladung verwendet. Die Einheit der elektrischen Feldstärke
E ist nach ihrer Definition gleich Newton durch Coulomb. Für elektrische
Feldstärken gibt es ein direktes Messgerät.
Die Funktionsweise ist etwas kompliziert: Ein metallenes Flügelrad rotiert vor
zwei ineinander gestellten Flügelflächen, die voneinander elektrisch isoliert
sind. Dazwischen wird das eigentlich konstante Feld periodisch ab- und
eingeblendet. Der resultierende Wechselstrom ist ein Maß für die Stärke des
konstanten elektrischen Feldes. Mit diesem Messgerät werden einige Messungen
durchgeführt: Große Werte erhält man in der Nähe einer geladenen Kugel und vor
einem Fernseher.
Für die elektrische Feldstärke gibt es verschiedene wichtige Anwendungen in
der Technik. Früher war es schwierig, ein Auto so zu lackieren, dass auch in den
Nuten und an seitlich abgewandten Flächen die gleiche Lackdicke entsteht. Beim
heute üblichen elektrostatischen
Lackieren wird zwischen der Karosserie und den Sprühpistolen ein starkes
elektrisches Feld angelegt. Deshalb bewegen sich die Farbpigmente näherungsweise
auf Feldlinien und erreichen auf diesen gekrümmten Bahnen auch abgelegene
Flächen. Eine andere wichtige Anwendung ist die elektrostatische Rauchgasreinigung.
In einem starken elektrischen Feld werden Rußpartikel aus dem Abgas entfernt.
Auch das Fotokopieren ist eine Anwendung elektrischer Kraftwirkungen. Ein Modellversuch
zeigt, dass das schwarze Tonerpulver nur an den Stellen des Papiers haftet, die
elektrisch geladen wurden. Im Kopierer wird zunächst über die gesamte Fläche des
Kopierpapiers Ladung versprüht. Die optische Abbildung des Originals auf das
Kopierpapier entlädt diese Ladungen überall dort, wo Licht auftrifft. Deshalb
haftet der Toner nur an den dunklen Stellen und es entsteht eine Kopie
vom Original.