Blitzeinschlag in Kroatien

Das elektrische Feld


Autor: D. Supper, Elektronikschule Tettnang

Das elektrische Feld setzt erstaun­li­che Kräfte frei. Es ist nicht zu ver­wech­seln mit dem magnetischen Feld. In diesem Abschnitt elektrostatische Kräfte und deren Auswirkung unter die Lupe genommen und erklären.

Das Experiment - Die Kugel im elektrischen Feld



Am seidenen Faden hängt sie, eine Kunststoffkugel. In einem elektrischen Feld mit 20 kV erfährt sie eine unglaubliche Beschleunigung und nicht nur das, sondern es entstehen auch noch tolle Lichtblitze.

Wo aber kommmt diese Kraft her?

Die Antwort: Die Kraft ist ein Ergebnis unterschiedlicher Ladungen.

Coulomb wollte das genauer wissen und fand heraus, dass es sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte gibt. Da es positive und negative Ladungen gibt, kam er zu dem Ergebnis:

Das coulombsche Gesetz (engl. Coulombs law)



Coulomb untersuchte die Kräfte auf zwei Punktladungen und fand heraus:

  • die Kraft ist proportional zur Ladung Q1 und Q2,
  • sie ist umgekehrt quadratisch proportional zum Abstand r der Punktladungen.

Dabei ist $\epsilon_0=8,85\cdot 10^{-12}\:\frac{\text{As}}{\text{Vm}}$ die elektrische Feldkonstante (engl. permittivity of free space) im Vakuum. Jedes andere isolierende Material hat ein größeres $\epsilon$ als $\epsilon_0$.

Abstand-Kraft-Kennlinie Coulomb Gesetz

Aufgabe 1 Kräfte auf Ladungen

Wähle die korrekten Grafiken aus.


Aufgabe 2 Coulomb-Gesetz

$Q_1$ /nC $Q_2$ /nC $r$ /m $F$ /nN
3 3 1
3 3 2
3 3 3
3 6 3

Berechne die Kraft, wenn

  1. die Ladungen gleich groß sind,
  2. die Abstände sich verändern,
  3. eine Ladung verdoppelt wird und der Abstand identisch bleibt.
  4. Zeichne das Abstands-Kraft-Diagramm für Q1 = Q2 = 3 nC.
$Q_1$ /nC $Q_2$ /nC $r$ /m $F$ /nN
3 3 1 80,9
3 3 2 20,2
3 3 3 8,99
3 6 3 17,98
Abstand-Kraft-Diagramm

Das Konzept des elektrischen Feldes




Ein elektrisches Feld sichtbar machen: Alles was du brauchst ist etwas Rizinusöl und Gries sowie einen Hochspannungsgenerator.

Wir bedecken den Boden einer Petrischale mit Rizinusöl und bestreuen den Boden mit einer dünnen Schicht Gries. Tipp: Mische den vorher Gries mit etwas Farbstoff (z.B. Tinte). Dann stellen wir die Schale zwischen einen Kondensator (s. Foto) und schalten die Hochspannung mit 20 kV ein.

Die beiden Platten laden sich unterschiedlich auf und so bildet sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld. In dem Experiment kann man gut die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf den Gries erkennen. Dabei bilden sich Linien, die sogenannten "elektrischen Feldlinien".

Die Kraft auf eine Ladung im elektrischen Feld



Zwischen zwei Metallplatten bildet sich ein homogenes elektrisches Feld. Die Kraft auf eine Ladung ist dabei umso größer, desto größer die Spannung, desto größer die Ladungsmenge und desto kleiner der Abstand der Platten ist.

Doch wieso schwingt der Ball hin und her?
Antwort: Berührt der Ball die positiv geladene Platte, wird er positiv geladen und stößt sich ab, berührt er dann die negative Platte wird er negativ geladen und stößt sich wiederum ab. Und so schwingt der Ball zwischen den Platten hin und her.

elektrische Ladung im elektrischen Feld

Aufgabe 3 Das elektrische Feld

Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen einem Kugel-Plattenkondensator

Die Abbildung zeigt den Feldlinienverlauf eines Kugel-Plattenkondensator.

  1. Beschreibe den Feldlinienverlauf für einen Kugel-Plattenkondensator.
  2. Beschreibe den Feldlinienverlauf für einen Plattenkondensator.
  3. Nenne drei Eigenschaften des elektrischen Feldes.
  1. Die Feldlinien treten senkrecht aus der Oberfläche aus und haben eine Richtung. Das Feld ist inhomogen
  2. ...
  3. ....

Aufgabe 4 Kraft auf Ladungen - Millikanversuch

Öltropfen im elektrischen Feld

Ein negativ geladener Öltropfen schwebt in einem elektrischen Feld zwischen zwei Metallplatten mit einem Abstand von 12 mm. Die Spannung beträgt 19 V und die Masse des Öltropfens beträgt 2,6 ⋅ 10-17 kg.

  1. Nenne die beiden Kräfte und deren Richtung, welche auf den Öltropfen wirken.
  2. Berechne die Ladungsmenge auf dem Öltropfen für das Kräftegleichgewicht.
  1. Gravitationskraft (nach unten) und elektrostatische Kraft (nach oben)
  2. $F_G=F_{el}$
    $mg=\frac{U\cdot Q}{d}$
    $Q=1,6\cdot10^{-19}~C$

Der Faradaysche Käfig



Probiere mal folgendes Experiment: Du betrittst einen Raum mit 2x2 m und nimmst an du seist ein Elektron. Die nächste Person betritt den Raum (auch negativ geladen). Nun versuche einfach dich so zu verhalten wie ein frei bewegliches Elektron. Die dritte Person betritt den Raum. Wo wird sich jeder positionieren? Noch nicht sicher? Versuche es mit einer vierten und fünften Person.

Wenn ein Blitz ein Auto trifft, fließen die Elektronen durch dessen Karosserie. Da sich Elektronen gegenseitig abstoßen bleiben sie an der äußeren Oberfläche. Solange man im inneren des Fahrzeugs ist und nicht die Außenseite berührt, wird nichts passieren.

Aufgabe 5 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Eine negative Kraft für zwei Punktladungen bedeutet:
Wähle eine Antwort.

  1. sie stoßen sich ab
  2. sie ziehen sich an
  3. sie sind im Gleichgewicht
  4. es gibt keine negative Kraft


Elektrische Feldlinien ...
Wähle zwei Antworten.

  1. können sich schneiden,
  2. kann man nicht sichtbar machen,
  3. berühren sich nicht,
  4. treten senkrecht aus der Oberfläche aus.

Für zwei Punktladungen gilt: Verdoppelt man die beiden Ladungsmengen und lässt den Abstand konstant, ist die Kraft ...
Wähle eine Antwort.

  1. 2mal so groß.
  2. 3mal so groß.
  3. 4mal so groß.
  4. gleich groß.


Für zwei Punktladungen gilt: Verdoppelt man den Abstand und die beiden Ladungsmengen, ist die Kraft ...
Wähle eine Antwort.

  1. 2mal so groß.
  2. 3mal so groß.
  3. 4mal so groß.
  4. gleich groß.

Bestimme die beiden Kräfte die im Millikanversuch zum Kräftegleichgewicht führen.
Wähle zwei Antworten.

  1. Gravitationskraft
  2. Reibungskraft
  3. elektrostatische Kraft
  4. magnetische Kraft


Begründe wieso ein Auto im Gewitter ein sicherer Ort ist.
Wähle eine Antwort.

  1. Elektronen stoßen sich ab.
  2. Elektronen ziehen sich gegenseitig an.
  3. Ein Auto ist isoliert.
  4. Das Auto ist kein sicherer Ort.

Wortliste und Satzbausteine



die Punkt­ladung, -en Boot­strap ist eine Bibliothek mit CSS und Javascript und bietet ein respon­sivem Design.
Charles Augustin de Coulomb französischer Physiker *1736
das Coulomb-Gesetz, - $F=\frac{Q_1\cdot Q_2}{4\pi\epsilon_0\cdot r^2}$
Kraft auf Ladung im elektrischen Feld $F=\frac{U\cdot Q}{d}$
die elektrische Feldkonstante, - Naturkonstante aus dem elektrischen Feld: $\epsilon_0=8,85\cdot 10^{-12}\:\frac{\text{As}}{\text{Vm}}$
das elektrische Feld, -er Konzept zur Beschreibung auftretender Kräfte zwischen Ladungen.
der Feld­linien­verlauf, -"e gibt die Kraftrichtung in einem elektrischen Feld vor
der faradaysche Käfig, -e zu allen Seiten geschlossener Käfig aus einem elektrischen Leiter