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Das elektrische Feld ist grundlegend für das Verständnis von Elektrizität und Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen und steht in engem Zusammenhang mit wichtigen Größen wie dem elektrischen Potential.
Jedes geladene Objekt erzeugt ein elektrisches Feld. Die Größe des Feldes hängt von der Ladungsmenge auf dem Objekt und der Entfernung von dem Objekt ab, in dem das Feld gemessen wird. Diese Felder üben auch eine Kraft auf andere nahe gelegene Ladungen oder Materialien aus, die interessante Phänomene verursachen.
In diesem Video werden wir zunächst die grundlegenden Konzepte im Zusammenhang mit elektrischen Feldern erneut aufgreifen und dann ein Experiment veranschaulichen, das bei der Untersuchung elektrischer Felder und der Kräfte, die auf Ladungen und Materialien in einem Feld wirken, hilft. Zu guter Letzt werden wir einige Anwendungen sehen, die elektrische Felder zu ihrem Vorteil nutzen.
Wie bereits erwähnt, erzeugt ein geladenes Objekt ein elektrisches Feld im umgebenden Raum. Mit dem Gaußschen Gesetz kann gezeigt werden, dass die Größe des elektrischen Feldes linear proportional zur Quellladung 'Q' und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands 'r' von der Quellladung ist; und 'k' ist die Coulomb-Konstante. Eine Verdoppelung der Quellenladung führt also zu einer Verdoppelung der Feldstärke. Durch die Verdoppelung des Messabstands verringert sich die Feldstärke um das Vierfache.
Das von einem geladenen Objekt erzeugte elektrische Feld kann anhand fiktiver Linien, der sogenannten "elektrischen Feldlinien", visualisiert werden. Bei diesen Linien handelt es sich um eine Sammlung von Pfeilen, die gezeichnet wurden, um sowohl die Größe als auch die Richtung des Feldes zu visualisieren. Typischerweise werden Feldlinien von einer positiven Quellladung weg und hin zu einer negativen Quellladung gerichtet.
Die Gesamtzahl der Feldlinien, die von einem geladenen Objekt erzeugt werden, stellt die Menge der Ladung dar, während die Dichte der Linien an einer bestimmten Stelle im Feld die Größe an dieser Stelle angibt. Daher sind die Linien in der Nähe einer geladenen Kugel dicht gepackt, während sie in größerer Entfernung von der Quelle weiter auseinander liegen.
Die Richtung des elektrischen Feldes einer unbekannten Quellenladung wird bestimmt, indem eine Testladung in der Nähe der Quellladung platziert wird und beobachtet wird, ob die Testladung von der Quellladung angezogen oder von ihr abgestoßen wird.
Die Größe dieser Kraft 'F' wird durch das Coulombsche Gesetz angegeben, das besagt, dass die Kraft linear proportional zur elektrischen Feldstärke und der Ladungsmenge auf der Testladung ist. Für die Richtung: Wenn die Testladung positiv ist, ist die Richtung der Kraft auf die Testladung die gleiche wie die des elektrischen Feldes. Ist die Testladung jedoch negativ, ist die Kraftrichtung entgegengesetzt zu der des elektrischen Feldes der Quellladung.
Elektrische Felder können auch eine elektrische Potentialdifferenz oder einen Spannungsabfall entlang der Richtung des Feldes erzeugen. Dieses Phänomen wird im Video "Elektrisches Potential" dieser Sammlung ausführlich diskutiert. Umgekehrt ist es wichtig zu beachten, dass elektrische Felder auch durch das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an zwei getrennte Leiter erzeugt werden. In diesem Fall zeigt die Feldrichtung von der höheren Spannung zur niedrigeren Spannung.
Neben geladenen Objekten wirken sich elektrische Felder auch auf Materialien aus, die ladungsneutral sind, wie z. B. Kupferdraht. Alle neutralen Materialien bestehen aus einer großen und gleichen Menge an positiven und negativen Ladungen. Elektrische Felder üben also auf jede dieser Ladungen eine Kraft aus; Dies führt zu einer Verschiebung großer Ladungsansammlungen im Material. Dies kann zu einer effektiven Trennung von positiven und negativen Ladungen führen und wird als "Polarisation" bezeichnet.
Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, wie man die Feldlinien des elektrischen Feldes visualisiert, die durch Anlegen von Spannungen an zwei verschiedene Elektrodenkonfigurationen erzeugt werden. Und im folgenden Abschnitt werden wir die Wirkung elektrischer Kräfte und das Phänomen der Polarisation anhand von Papier, Fell, einem Acrylstab und einer Getränkedose sehen.
Die Demonstration besteht aus einem elektrostatischen Generator, wie z. B. einem tragbaren statischen Genecon oder einem van der Graff-Generator, einem Paar Elektroden, die in einer konzentrischen Kreiskonfiguration angeordnet sind, einem Paar parallel zueinander angeordneter Elektroden und einer Petrischale oder einem Beobachtungstank.
Der Beobachtungstank ist mit einem viskosen Öl, wie Rizinusöl, und etwa einem halben Gramm polarisierbarem Pulver, wie z.B. Grießsamen, gefüllt.
Laden Sie den mit der Öl- und Pulveremulsion gefüllten Beobachtungsbehälter in seine Halterung. Montieren Sie als Nächstes die Platte mit der parallelen Elektrodenkonfiguration auf dem Halter. Verbinden Sie die Elektroden mit Hilfe von Kabeln mit dem Minus- und Pluspol des Elektrogenerators.
Drehen Sie die Kurbel des Generators mindestens 5 volle Umdrehungen, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Leitern entsteht und ein elektrisches Feld entsteht. Da das zugesetzte Pulver polarisierbar ist, beginnen sich die Pulverflecken langsam mit den elektrischen Feldlinien auszurichten.
Um die Ladungen zu neutralisieren, schließen Sie anschließend den Plus- und Minuspol direkt kurz, indem Sie ein Kabel zwischen den Anschlüssen anschließen. Nachdem Sie einige Sekunden gewartet haben, bis sich die Ladung aufgelöst hat, trennen Sie das Kurzschlusskabel von den Anschlüssen. Montieren Sie dann die Elektrodenplatte von der Halterung.
Montieren Sie nun die Platte mit der konzentrischen Kreiselektrodenkonfiguration auf der Halterung. Mischen Sie das Öl und das polarisierbare Pulver im Beobachtungstank, indem Sie das Setup vorsichtig aufrollen.
Schalten Sie den Generator ein und drehen Sie ihn mindestens 5 volle Umdrehungen, um ein elektrisches Feld zwischen den beiden Leiterringen zu erzeugen. Das Pulver zwischen den Ringen bildet strahlende Linien, was darauf hinweist, dass die elektrischen Feldlinien in diesem Bereich den elektrischen Feldlinien einer Punktladung ähneln, die sich in der Mitte der Ringe befindet. Im Gegensatz dazu besitzt das Pulver innerhalb des inneren Kreises keine erkennbare Ausrichtung, was darauf hindeutet, dass in diesem Bereich kein nennenswertes elektrisches Feld vorhanden ist.
Lassen Sie uns nun ein Experiment besprechen, das Polarisation und elektrische Feldkräfte demonstriert. Die üblichen Gegenstände, die in dieser Demonstration verwendet werden, sind eine leere Getränkedose, ein Acrylstab, ein Stück Fell, das groß genug ist, um es um den Stab zu wickeln, und ein Streifen Papier.
Lege die leere Getränkedose auf die Seite, damit sie frei rollen kann. Wickeln Sie das Fellstück um die Rute und reiben Sie es mindestens 10 Mal von einem Ende zum anderen. Indem Sie den Stab reiben, übertragen Sie physikalisch Elektronen vom Fell auf den Stab und machen den Stab negativ geladen, sodass er das elektrische Feld erzeugen kann, das zur Induktion einer Polarisation erforderlich ist.
Bringen Sie den geladenen Stab in die Nähe der leeren Getränkedose und beobachten Sie die Anziehungskräfte auf der Dose, wenn sie beginnt, auf die Stange zuzurollen. Dies liegt daran, dass das elektrische Feld des Stabes eine Polarisation an der Getränkedose induziert. Ladungen, die im Zeichen denen auf dem Stab entgegengesetzt sind, werden näher an den Stab gebracht, während Ladungen desselben Vorzeichens vom Stab weggeschoben werden. Dies hat zur Folge, dass der Stab sowohl Anziehungs- als auch Abstoßungskräfte auf die Dose ausübt. Da die entgegengesetzten Ladungen näher am Stab liegen, erfahren diese eine stärkere Kraft, die eine Nettoanziehungskraft in Richtung des Stabes erzeugt.
Bringen Sie dann den geladenen Stab in die Nähe des Papierstreifens und beobachten Sie, wie sich das Papier in Richtung des Stabs biegt. Das attraktive Verhalten ist das Ergebnis des gleichen induzierten Polarisationseffekts, der dazu führte, dass die Getränkedose in Richtung des Stabes rollte. Interessanterweise ist die Gesamtbewegung des Papiers, obwohl es viel weniger wiegt als die Getränkedose, vergleichsweise gering. Dies liegt an der isolierenden Natur des Papiers im Vergleich zur leitfähigen Natur der Dose, was zu einer viel schwächeren Polarisation führt.
Elektrische Felder sind allgegenwärtig, da sie überall dort existieren, wo geladene Objekte oder Spannungsunterschiede vorhanden sind.
Elektrizität oder elektrischer Strom ist das Ergebnis von elektrischen Kraftfeldern, die Ladung durch hochleitfähige Drähte drücken. Im großen Maßstab geht es dabei um die Verlegung von Strom von Kraftwerken zu Wohn- und Geschäftsgebäuden. In kleinerem Maßstab ist der Durchgang von elektrischem Strom durch einen Stromkreis von grundlegender Bedeutung für den Betrieb eines elektronischen Geräts, wie z. B. einer LED, einer Glühbirne, eines Lüfters oder eines Computers.
Die Massenspektrometrie verwendet elektrische Felder, um den chemischen Gehalt einer Probe zu bestimmen. In dieser Anlage werden zunächst die ionisierten Moleküle durch Anwendung starker Kräfte, wie z.B. eines Elektronenstrahls, Plasmas oder Lasers, erzeugt. Diese geladenen Moleküle werden dann durch eine Reihe von elektrischen Wechselfeldern geleitet. Das Feld übt eine elektrische Kraft auf die Moleküle aus, die ihre Flugbahn verändert, was zu einer effektiven Trennung führt.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in Electric Fields gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien verstehen, die die Größe und Richtung elektrischer Felder bestimmen, wie man elektrische Feldlinien visualisiert und wie Polarisation durch ein elektrisches Feld induziert werden kann. Danke fürs Zuschauen!
