PhysikKlasse 11–12

Feldlinien von Punktladungen

Zwei Ladungen, und das Feld ordnet sich neu. Eine Probeladung misst, wo die Kraft am größten ist.

Simulation wird geladen …

Worum geht es?

Eine elektrische Ladung verändert den Raum um sich herum: Jede andere Ladung erfährt dort eine Kraft. Diesen Zustand nennt man elektrisches Feld. Gemessen wird es mit einer kleinen positiven Probeladung q0q_0: Die Feldstärke ist die Kraft pro Ladung,

E⃗=F⃗q0,[E]=1 NC=1 Vm.\vec E = \frac{\vec F}{q_0}, \qquad [E] = 1\,\frac{\text{N}}{\text{C}} = 1\,\frac{\text{V}}{\text{m}} .

Für eine Punktladung QQ folgt aus dem Coulombschen Gesetz im Abstand rr

E=k⋅∣Q∣r2,k=14πε0≈8,99⋅109 N m2C2.E = k \cdot \frac{|Q|}{r^2}, \qquad k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \approx 8{,}99 \cdot 10^9\,\frac{\text{N}\,\text{m}^2}{\text{C}^2} .

Doppelter Abstand heißt also nur noch ein Viertel der Feldstärke. Das Feld zeigt bei positiver Ladung von ihr weg, bei negativer Ladung zu ihr hin. Direkt auf der Ladung (r=0r = 0) ist die Feldstärke nicht definiert; setzt du die Probeladung genau auf eine Ladung, zeigt die Simulation deshalb keinen Wert.

Kraft auf eine Ladung: Auf eine Ladung qq im Feld wirkt F=q⋅EF = q \cdot E. Ist qq positiv, zeigt die Kraft in Richtung der Feldlinien; ist qq negativ (zum Beispiel ein Elektron), zeigt sie genau entgegengesetzt. Die Probeladung in der Simulation ist immer positiv (q0=+1 nCq_0 = +1\,\text{nC}).

Wirken mehrere Ladungen, addieren sich ihre Felder als Vektoren (Superposition). Der Kasten „Vektoraddition“ zeigt das: Die Einzelfelder E⃗1,E⃗2,…\vec E_1, \vec E_2, \dots werden aneinandergehängt, der orange Pfeil ist die Summe.

Feldlinien machen das Feld sichtbar:

  • Sie beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen (oder im Unendlichen).
  • Die Feldstärke zeigt an jeder Stelle in Richtung der Feldlinie.
  • Wo die Linien dicht liegen, ist das Feld stark. Die Zahl der Linien ist hier proportional zur Ladung (8 Linien pro nC).
  • Feldlinien schneiden sich nie.

Äquipotentiallinien (grün gestrichelt) verbinden Punkte mit gleichem Potential φ=∑k⋅Qi/ri\varphi = \sum k \cdot Q_i / r_i. Sie stehen überall senkrecht auf den Feldlinien. Bewegt man eine Ladung entlang einer Äquipotentiallinie, wird keine Arbeit verrichtet.

Im Plattenkondensator ist das Feld zwischen den Platten homogen: überall gleich stark und gleich gerichtet, mit

E=Ud.E = \frac{U}{d} .

Die Äquipotentiallinien sind dort parallel zu den Platten und gleich weit voneinander entfernt.

Zur Darstellung: Die Farbe im Hintergrund zeigt die Feldstärke auf einer logarithmischen Skala (10 bis 100 000 N/C). Der Kraftpfeil wächst proportional zu EE und wird bei sehr starken Feldern gekappt (Zeichen ≫). Beim Kondensator sind Randeffekte vernachlässigt: außen ist kein Feld.

Ausprobieren

  1. Ziehe die Probeladung um den Dipol herum. Wo ist das Feld am stärksten? In welche Richtung zeigt es auf der Mittelsenkrechten zwischen den beiden Ladungen? Dipol
  2. Eine einzelne Ladung: Verdopple den Abstand der Probeladung von 10 cm auf 20 cm. Was passiert mit EE? Einzelne Ladung
  3. Zwei gleiche Ladungen: Suche die Stelle, an der das Feld null ist. Zwei gleiche Ladungen
  4. Ungleiche Ladungen: Von der großen Ladung gehen dreimal so viele Linien aus. Wohin laufen die übrigen? +3 nC und −1 nC
  5. Schalte die Äquipotentiallinien ein. Prüfe: Stehen sie überall senkrecht auf den Feldlinien? Mit Äquipotentiallinien
  6. Plattenkondensator: Verschiebe die Probeladung zwischen den Platten. Ändert sich EE? Plattenkondensator

Aufgaben

Aufgabe 1: Feld einer Punktladung

Eine Ladung Q=1,0 nCQ = 1{,}0\,\text{nC} sitzt im Ursprung. Berechne die Feldstärke im Abstand 10 cm10\,\text{cm} und im Abstand 20 cm20\,\text{cm}. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

E=8,99⋅109 N m2C2⋅1,0⋅10−9 C(0,10 m)2≈899 NCE = 8{,}99 \cdot 10^9\,\frac{\text{N}\,\text{m}^2}{\text{C}^2} \cdot \frac{1{,}0 \cdot 10^{-9}\,\text{C}}{(0{,}10\,\text{m})^2} \approx 899\,\frac{\text{N}}{\text{C}}. Bei doppeltem Abstand ein Viertel davon: E≈225 NCE \approx 225\,\frac{\text{N}}{\text{C}}. In der Simulation zeigen

Aufgabe 2: Dipol

Q1=+1 nCQ_1 = +1\,\text{nC} bei x=−10 cmx = -10\,\text{cm}, Q2=−1 nCQ_2 = -1\,\text{nC} bei x=+10 cmx = +10\,\text{cm}. Bestimme Betrag und Richtung der Feldstärke in der Mitte und die Kraft auf q0=1 nCq_0 = 1\,\text{nC}. Aufgabe laden

Lösung anzeigen

Jede Ladung liefert 899 NC899\,\frac{\text{N}}{\text{C}}. Beide Felder zeigen nach rechts (weg von Q1Q_1, hin zu Q2Q_2), also E≈1798 NCE \approx 1798\,\frac{\text{N}}{\text{C}} zur negativen Ladung hin. Kraft: F=q0⋅E≈1,80 μNF = q_0 \cdot E \approx 1{,}80\,\mu\text{N}. In der Simulation zeigen

Aufgabe 3: Plattenkondensator

An einem Kondensator mit d=10 cmd = 10\,\text{cm} liegen U=1000 VU = 1000\,\text{V}. Wie groß sind Feldstärke und Kraft auf q0=1 nCq_0 = 1\,\text{nC}? Welches Potential hat ein Punkt 5 cm5\,\text{cm} von der negativen Platte? Aufgabe laden

Lösung anzeigen

E=Ud=1000 V0,10 m=10 000 VmE = \frac{U}{d} = \frac{1000\,\text{V}}{0{,}10\,\text{m}} = 10\,000\,\frac{\text{V}}{\text{m}}, F=q0⋅E=10 μNF = q_0 \cdot E = 10\,\mu\text{N}. Potential: φ=E⋅s=10 000 Vm⋅0,05 m=500 V\varphi = E \cdot s = 10\,000\,\frac{\text{V}}{\text{m}} \cdot 0{,}05\,\text{m} = 500\,\text{V}. In der Simulation zeigen

Aufgabe 4: Zwei gleiche Ladungen

Zwei Ladungen +1 nC+1\,\text{nC} sitzen bei x=−10 cmx = -10\,\text{cm} und x=+10 cmx = +10\,\text{cm}. Bestimme die Feldstärke im Punkt (0∣10 cm)(0 \mid 10\,\text{cm}) über der Mitte. Wo ist das Feld null? Aufgabe laden

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Abstand zu jeder Ladung: r=(0,10 m)2+(0,10 m)2≈0,141 mr = \sqrt{(0{,}10\,\text{m})^2 + (0{,}10\,\text{m})^2} \approx 0{,}141\,\text{m}, also E1=E2=8,99⋅109⋅10−90,02 NC≈449 NCE_1 = E_2 = 8{,}99 \cdot 10^9 \cdot \frac{10^{-9}}{0{,}02}\,\frac{\text{N}}{\text{C}} \approx 449\,\frac{\text{N}}{\text{C}}. Die waagerechten Anteile heben sich auf, die senkrechten addieren sich: E=2⋅449 NC⋅10 cm14,1 cm≈636 NCE = 2 \cdot 449\,\frac{\text{N}}{\text{C}} \cdot \frac{10\,\text{cm}}{14{,}1\,\text{cm}} \approx 636\,\frac{\text{N}}{\text{C}}, senkrecht nach oben (90°). In der Mitte zwischen den Ladungen (x=0x = 0, y=0y = 0) heben sich beide Felder ganz auf: Dort ist das Feld null (feldfreier Punkt). In der Simulation zeigen

Aufgabe 5: Feldfreier Punkt bei ungleichen Ladungen

Q1=+1 nCQ_1 = +1\,\text{nC} sitzt bei x=−10 cmx = -10\,\text{cm}, Q2=+4 nCQ_2 = +4\,\text{nC} bei x=+14 cmx = +14\,\text{cm}. An welcher Stelle zwischen den Ladungen ist das Feld null? Aufgabe laden

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Die Ladungen sind 24 cm24\,\text{cm} voneinander entfernt. Im Abstand aa von Q1Q_1 gilt k⋅1 nCa2=k⋅4 nC(24 cm−a)2\frac{k \cdot 1\,\text{nC}}{a^2} = \frac{k \cdot 4\,\text{nC}}{(24\,\text{cm} - a)^2}, also 24 cm−a=2a24\,\text{cm} - a = 2a und a=8 cma = 8\,\text{cm}. Der feldfreie Punkt liegt bei x=−2 cmx = -2\,\text{cm}, näher an der kleineren Ladung. In der Simulation zeigen

Aufgabe 6: Ein Elektron im Kondensator

Statt der Probeladung befindet sich ein Elektron (q=−1,6⋅10−19 Cq = -1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\text{C}) im Kondensator aus Aufgabe 3. Wie groß ist die Kraft, und in welche Richtung zeigt sie? Aufgabe laden

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F=∣q∣⋅E=1,6⋅10−19 C⋅10 000 NC=1,6⋅10−15 NF = |q| \cdot E = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\,\text{C} \cdot 10\,000\,\frac{\text{N}}{\text{C}} = 1{,}6 \cdot 10^{-15}\,\text{N}. Weil das Elektron negativ ist, zeigt die Kraft entgegen den Feldlinien, also zur positiven Platte hin. Der orange Pfeil der positiven Probeladung zeigt genau in die Gegenrichtung. In der Simulation zeigen

Ideen für den Unterricht

  • Mit Grießkörnern in Öl oder Watteflocken zeigen, wie Feldlinienbilder im Experiment aussehen, dann hier vergleichen.
  • Die Vektoraddition zuerst von Hand mit zwei Ladungen zeichnen lassen und mit dem Kasten prüfen.
  • Typische Stolpersteine:
    • „Feldlinien sind Bahnen, auf denen sich Ladungen bewegen.“ – Sie zeigen die Kraftrichtung; eine Ladung mit Anfangsgeschwindigkeit folgt ihnen im Allgemeinen nicht.
    • „Zwischen zwei Feldlinien ist kein Feld.“ – Das Feld ist überall; die Linien sind nur eine Auswahl.
    • „Im Kondensator ist das Feld in der Mitte schwächer.“ – Im idealen Kondensator ist es überall gleich.