E · Kapitel 4 · Einheit 1

Elektrisches Feld

Folien

Das physikalische Phänomen, das Funksignale überhaupt erst möglich macht, ist das elektromagnetische Feld. Dass sich dieses Feld im leeren Raum, ohne ein tragendes Medium, ausbreiten kann, war eine der bedeutendsten Entdeckungen des 19. Jahrhunderts.

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Wie der Name bereits nahelegt, besteht das elektromagnetische Feld aus zwei Komponenten, dem elektrischen und dem magnetischen Feld. Wenn sich das elektrische und das magnetische Feld zeitlich verändern, so kommen beide Feldkomponenten immer gemeinsam vor.

Beginnen wir aber mit dem zeitlich unveränderlichen elektrischen Feld, auch statisches Feld genannt. Das elektrische Feld wird allgemein mit dem Buchstaben $E$ bezeichnet.

E-4.1.1 zeigt schematisch einen Plattenkondensator, bei dem an den Platten eine Spannung $U$ anliegt. Die Platten sind voneinander isoliert, es fließt kein Strom. Die Spannung führt dazu, dass sich auf der linken Platte positive und auf der rechten Platte negative Ladungsträger ansammeln. Zwischen den beiden Platten bildet sich ein statisches elektrisches Feld $E$ aus. Nehmen wir an, dass die Ausdehnung der Platten in Länge und Breite sehr viel größer ist als der Abstand, dann ist die Stärke des Feldes vom Ort unabhängig -- wir sprechen von einem homogenen Feld. Die elektrische Feldstärke lässt sich dann ganz einfach berechnen:

$E = \frac{U}{d}$

wobei $d$ der Abstand der Platten ist.

Aus der Gleichung $E = \frac{U}{d}$ ergibt sich auch die Einheit der elektrischen Feldstärke: $V/m$

Prüfungsfrage EB101

Welches Feld stellt sich zwischen zwei parallelen Kondensatorplatten bei Anliegen einer Gleichspannung in Näherung ein?

Prüfungsfrage EA103

Welche Einheit wird üblicherweise für die elektrische Feldstärke verwendet?

Um die elektrische Feldstärke in einem Plattenkondensator zu berechnen, müssen wir die anliegende Spannung kennen und den Plattenabstand. Plattenkondensatoren kommen vielfach in Antennenanpassgeräten vor.

Bei diesen Fragen muss unbedingt die richtige Einheit beachtet werden!

Prüfungsfrage EB102

An einem Plattenkondensator mit 0,6 cm Plattenabstand werden 9 V angelegt. Wie groß ist die elektrische Feldstärke zwischen den beiden Platten näherungsweise?

Hier kann man wieder einfach mit der Formel von oben rechnen:

$E = \frac{9 V}{0,6 cm} = \frac{9 V}{0,006 m} = 1500 V/m$

Einen Wickelkondensator können wir uns so vorstellen wie einen Plattenkondensator mit sehr breiten Platten, die aufgewickelt wurden. Zwischen den Platten befindet sich allerdings ein isolierende Schicht, das Dielektrikum. Es erhöht die Kapazität des Kondensators -- die Fähigkeit, Ladungen zu speichern. Auf die Berechnung der Feldstärke im Innern hat das Dielektrikum aber keinen Einfluss.

Prüfungsfrage EB103

An den Metallbelägen eines Wickelkondensators mit 0,15 mm starkem Kunststoff-Dielektrikum liegt eine Spannung von 300 V. Wie hoch ist die elektrische Feldstärke zwischen den Metallbelägen ungefähr?

Auch für diese Frage bemühen wir wieder unsere Formel:

$E = \frac{300 V}{0,15 mm} = \frac{300 V}{0,00015 m} = 2000000 V/m = 2000 kV/m$

Dielektrika können nur eine begrenzte elektrische Feldstärke aushalten, bevor sie ihre Isolationsfähigkeit verlieren. Die Grenzfeldstärke, bei der das geschieht, wird auch als Durchschlagsfeldstärke bezeichnet. Wenn wir die Durchschlagsfeldstärke und die Dicke des Dielektrikums kennen, können wir die Spannung berechnen, die der Kondensator maximal aushalten kann.

Wenn die Durchschlagsfeldstärke $E_d$ und die Dicke des Dielektrikums d ist, dann ist die Durchbruchspannung:

$U_d =E_d \cdot d$

Prüfungsfrage EB104

Ein Kondensator in einer Senderendstufe hat eine 0,15 mm starke PTFE-Folie als Dielektrikum. Die Durchschlagsfestigkeit von PTFE beträgt ca. 400 kV/cm. Wie groß wäre die maximale Spannung, die an den Kondensator angelegt werden kann, ohne dass die Folie durchschlagen wird?

Hier rechnen wir mit der Formel von oben (Achtung auf die Einheiten aufpassen!):

$\begin{split} U_d &= 400 kV/cm \cdot 0,15 mm \ &= 40000000 V/m \cdot 0,00015 m \ &= 6000 V \ &= 6 kV \end{split}$

Eine weitere wichtige Fähigkeit ist es, in Skizzen die elektrischen Feldlinien von den später behandelten magnetischen Feldlinien zu unterscheiden.

Mit einer einfachen Faustregel ist das recht einfach: elektrische Feldlinien haben einen Anfang und ein Ende, magnetische Feldlinien nicht! Die Richtung des elektrischen Feldes geht immer vom positiveren Potenzial zum negativeren.

Prüfungsfrage EB105