Die elektrische FeldstÀrke
Im Löffel-Versuch am Plattenkondensator wird die Ladung auf dem Probelöffel durch BerĂŒhren mit einem identischen Löffel wiederholt halbiert. Was zeigt die Messung?
ErklĂ€rung: Bei unverĂ€ndertem Feld ist F proportional zu q, also ist F/q eine Eigenschaft des Feldpunkts und nicht der Probeladung. Das Feld wird durch das Halbieren der Probeladung nicht schwĂ€cher â es wird von den Kondensatorplatten erzeugt.
An einem Feldpunkt wirkt auf die Probeladung q = 2·10â»â¶ C die Kraft F = 0,008 N. Welche Rechnung bestimmt die FeldstĂ€rke dort richtig?
ErklĂ€rung: Die FeldstĂ€rke ist als Quotient aus Kraft und Probeladung definiert: E = F/q â so fĂ€llt die Probeladung heraus und E beschreibt den Feldpunkt selbst. Das Produkt F·q und der umgedrehte Quotient q/F haben keine FeldstĂ€rke-Einheit N/C.
Bringt man eine doppelt so groĂe Probeladung an denselben Feldpunkt, so ist dort auch die elektrische FeldstĂ€rke doppelt so groĂ.
ErklĂ€rung: Mit der Probeladung verdoppelt sich nur die Kraft â der Quotient E = F/q und damit die FeldstĂ€rke bleibt gleich, denn das Feld wird von den felderzeugenden Ladungen bestimmt. FeldstĂ€rke und Kraft zu verwechseln ist eines der hĂ€ufigsten Fehlmuster in Tests zum E-Feld.
Die Einheit der elektrischen FeldstÀrke ist 1 N/___.
ErklÀrung: Aus E = F/q folgt die Einheit Newton pro Coulomb. SpÀter zeigt sich mit E = U/d die gleichwertige Schreibweise V/m.
Auf einen Probekörper mit der Ladung q = 4·10â»â¶ C wirkt im Feld die Kraft F = 0,02 N. Berechne die elektrische FeldstĂ€rke. (Antwort in N/C)
ErklĂ€rung: E = F/q = 0,02 N / 4·10â»â¶ C = 5000 N/C. Die FeldstĂ€rke beschreibt den Feldpunkt â mit jeder anderen Probeladung ergĂ€be die Rechnung denselben Wert.
In einem homogenen Feld der StĂ€rke E = 2000 N/C befindet sich eine Ladung q = 3·10â»â¶ C. Berechne die Kraft auf die Ladung. (Antwort in mN)
ErklĂ€rung: F = E·q = 2000 · 3·10â»â¶ N = 6·10â»Âł N = 6 mN. Umstellen der Definitionsgleichung E = F/q genĂŒgt; auf die Einheit Millinewton achten.
Ein Elektron befindet sich in einem Feld der StĂ€rke E = 5·10⎠N/C. Berechne den Betrag der Kraft auf das Elektron. (e = 1,6·10â»Âčâč C; Antwort in 10â»Âčâ” N)
ErklĂ€rung: F = E·e = 5·10⎠· 1,6·10â»Âčâč N = 8·10â»Âčâ” N. Trotz der riesigen FeldstĂ€rke ist die Kraft winzig, weil die Elementarladung so klein ist â fĂŒr das fast masselose Elektron ergibt sie dennoch enorme Beschleunigungen.
Im Löffel-Versuch wirkt auf die Ladung qâ die Kraft F = 0,8 N (in geeigneten Skalenteilen). Berechne die Kraft auf die Ladung ÂŒqâ am selben Ort. (Antwort in N)
ErklĂ€rung: Bei unverĂ€ndertem Feld gilt F â q, also 0,8 N · ÂŒ = 0,2 N. Der Quotient F/q liefert in beiden FĂ€llen dieselbe FeldstĂ€rke.
An einem Feldpunkt mit E = 2500 N/C erfÀhrt ein Probekörper die Kraft F = 0,01 N. Berechne seine Ladung. (Antwort in ”C)
ErklĂ€rung: q = F/E = 0,01 / 2500 C = 4·10â»â¶ C = 4 ”C. Die Definitionsgleichung lĂ€sst sich nach jeder der drei GröĂen auflösen.
Die FeldstÀrke zeigt an einem Punkt nach rechts. In welche Richtung wirkt die Kraft auf eine negative Ladung an diesem Punkt?
ErklĂ€rung: Die Feldrichtung ist ĂŒber die Kraft auf eine positive Probeladung festgelegt; fĂŒr negative Ladungen kehrt sich die Kraftrichtung um. Auch negative Ladungen spĂŒren das Feld â nur eben entgegengesetzt.
An einem Punkt ĂŒberlagern sich zwei elektrische Felder mit je 3 N/C in genau entgegengesetzte Richtungen. Die gesamte FeldstĂ€rke dort betrĂ€gt 6 N/C.
ErklĂ€rung: Die FeldstĂ€rke ist ein Vektor (E = F/q, Richtung der Kraft auf eine positive Probeladung). Entgegengesetzt gleiche BeitrĂ€ge heben sich auf â die GesamtfeldstĂ€rke ist 0 N/C, nicht die Summe der BetrĂ€ge.
Zwischen den Platten eines Kondensators misst Ali die Kraft auf dieselbe Probeladung einmal in der Mitte und einmal nahe einer Platte. Er erhÀlt beide Male denselben Wert.
ErklĂ€rung: Richtig â das Feld im Plattenkondensator ist homogen, die FeldstĂ€rke hat ĂŒberall zwischen den Platten den gleichen Betrag und die gleiche Richtung. Die Feldlinien verlaufen parallel und gleichabstĂ€ndig senkrecht zu den Platten.
Entfernt man die Probeladung aus dem Kondensator, so sinkt die FeldstÀrke zwischen den Platten auf null.
ErklĂ€rung: Das Feld wird von den Ladungen auf den Platten erzeugt und besteht unabhĂ€ngig von der Probeladung fort. Die Probeladung ist nur das Messinstrument â E = F/q ist so konstruiert, dass ihr Wert dabei herausfĂ€llt.
Im Löffel-Versuch wird die Spannung am Plattenkondensator erhöht, die Probeladung bleibt gleich. Was beobachtet man?
ErklĂ€rung: F/q ist nur bei festem Feld konstant; Ă€ndert man das Feld ĂŒber die Spannung, Ă€ndern sich F und F/q gemeinsam. Genau diese Gegenprobe zeigt, dass E das Feld beschreibt und nicht die Probeladung.
Auf eine positive Ladung wirkt die Kraft in Feldrichtung. Auf eine negative Ladung wirkt sie ___ zur Feldrichtung.
ErklĂ€rung: Die FeldstĂ€rke ist ĂŒber die Kraft auf eine positive Probeladung festgelegt. Eine negative Ladung erfĂ€hrt am selben Ort eine gleich groĂe, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft â Elektronen laufen gegen die Feldlinien.