Elektrische Feldstärke

vektorielle physikalische Größe der Elektrostatik und Elektrodynamik
Physikalische Größe
Name Elektrische Feldstärke
Formelzeichen
Größen- und
Einheitensystem
Einheit Dimension
SI V·m−1, N·C−1 M·L·I−1·T−3
Gauß (cgs) statV·cm−1 M½·L−½·T−1
esE (cgs) statV·cm−1 M½·L−½·T−1
emE (cgs) abV·cm−1 M½·L½·T

Die physikalische Größe elektrische Feldstärke beschreibt die Stärke und Richtung eines elektrischen Feldes, also die Fähigkeit dieses Feldes, Kraft auf Ladungen auszuüben. Sie ist ein Vektor und ist in einem gegebenen Punkt definiert durch

.

steht für eine kleine Probeladung, die sich am gegebenen Ort befindet, ist die auf diese Probeladung wirkende Kraft. Diese Definition ist wegen der Proportionalität von Kraft und Ladung sinnvoll.

Die elektrische Feldstärke in der Nähe von zwei gegensinnigen elektrischen Ladungen. Die Länge der Pfeile ist ein Maß für die Feldstärke an ausgewählten Punkten.

EinheitBearbeiten

Die SI-Einheit der elektrischen Feldstärke   ist Newton pro Coulomb oder Volt pro Meter. Es gilt:

 

Zusammenhang mit der elektrischen FlussdichteBearbeiten

Ebenfalls zur Beschreibung des elektrischen Feldes verwendet wird die elektrische Flussdichte  , die über die Materialgleichungen mit der elektrischen Feldstärke   verknüpft ist. Im Vakuum gilt die Beziehung

 

mit der elektrischen Feldkonstanten  .

Zusammenhang mit dem elektrischen PotentialBearbeiten

In vielen Fällen lässt sich die elektrische Feldstärke aus dem zugehörigen Potential berechnen. Die entsprechende Gleichung der Elektrodynamik berücksichtigt sowohl das elektrische Potential als auch das Vektorpotential   und deren Zeitabhängigkeit:

 

Im Rahmen der Elektrostatik vereinfacht sich der Zusammenhang zum negativen Gradienten des skalaren elektrischen Potentials  :

 

Umgekehrt ist die Potentialdifferenz (also die elektrische Spannung) zwischen zwei Punkten A und B das Linienintegral (die Aufsummierung) über das Skalarprodukt von elektrischer Feldstärke und Linienelement auf dem (in der Elektrostatik beliebigen) Integrationsweg von A nach B:

 .

In einem homogenen elektrischen Feld (d. h. mit parallelen Feldlinien), wie es näherungsweise in einem Plattenkondensator auftritt, entspricht dies der vereinfachten Beziehung

Spannung = Feldstärke × Weg.

Beispiel: Zwischen zwei Platten eines Kondensators mit dem Abstand 0,1 mm und der Feldstärke 50 kV/m besteht eine Spannung von 5 V.

GrößenbeispieleBearbeiten

Bereich Elektrische Feldstärke[1]
Atmosphäre 100 bis 200 V/m
in der 230V-Steckdose bis 15 kV/m
Durchschlagfestigkeit der Luft 3 MV/m
Kondensator 1 bis 10 MV/m

LiteraturBearbeiten

  • Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie: Praxisnahe, anschauliche Einführung. Elektromagnetische Felder, Maxwellsche Gleichungen, Gradient, Rotation, Divergenz. 6. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42018-5.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Altmann/Schlayer, 2003, S. 34