Elektrische Feldstärke

Physikalische Größe
NameElektrische Feldstärke
Formelzeichen
Größen- und
Einheitensystem
EinheitDimension
SIV·m−1, N·C−1M·L·I−1·T−3
Gauß (cgs)statV·cm−1M½·L−½·T−1
esE (cgs)statV·cm−1M½·L−½·T−1
emE (cgs)abV·cm−1M½·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.

Einheit

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

Zusammenhang mit der elektrischen Flussdichte

Die elektrische Flussdichte beschreibt die Überlagerung von elektrischem Feld und elektrischer Polarisation . Nach den Materialgleichungen der Elektrodynamik gilt:

mit der elektrischen Feldkonstanten und der relativen Permittivität .

Im Vakuum vereinfacht sich dies zu:

.

Zusammenhang mit dem elektrischen Potential

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.

Größenbeispiele

BereichElektrische Feldstärke[1]
Atmosphäre100 bis 200 V/m
in der 230V-Steckdosebis 15 kV/m
Durchschlagfestigkeit der Luft3 MV/m
Kondensator1 bis 10 MV/m

Literatur

  • 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.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Altmann/Schlayer, 2003, S. 34

Auf dieser Seite verwendete Medien

EfieldTwoOppositePointCharges.svg
Illustration of the electric vectorfield surrounding two opposite point charges. Red is positive, green is negative.