Elektrisches Feld (E-Feld)
Der Raum zwischen zwei ungleich geladenen Objekten wird elektrisches Feld genannt. In diesem Raum wird durch eine elektrische Ladung eine Kraft auf eine andere Ladung ausgeübt.
Die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes wird durch Feldlinien (Pfeile) dargestellt. Die Richtung der Feldlinien verläuft von Plus nach Minus. Die Richtung der Feldlinien bestimmen die Kräfte, die im elektrischen Feld auf Objekte wirken. Auf diese Weise lassen sich auch Körper und Ladungen örtlich verändern.
Die elektrische Ladung, die das elektrische Feld erzeugt, wird z. B. von einer elektrischen Spannung erzeugt. Dieses Prinzip wird im Kondensator angewendet.
Elektrische Feldstärke E
In einem homogenen elektrischen Feld ist die elektrische Feldstärke überall gleichgroß. Die Höhe der elektrischen Feldstärke ist von der Größe des Ladungsunterschieds und dem Abstand der geladenen Teile abhängig.
Die elektrische Feldstärke E ist umso größer,
- je größer bzw. ungleicher die elektrischen Ladungen sind oder je größer die elektrische Spannung ist.
- je kleiner der Abstand zwischen den geladenen Körpern ist.
Formelzeichen
Das Formelzeichen für die elektrische Feldstärke ist das große E.
Maßeinheit
Die elektrische Feldstärke ist von Spannung und Abstand zwischen zwei Körpern abhängig. Daher lautet die Maßeinheit kV/mm, V/m oder V/cm.
Formel zur Berechnung
Durchschlagsfestigkeit
Ist die elektrische Ladung zu groß oder der Abstand zu klein, dann findet ein Ladungsaustausch statt. Die dabei frei werdende Energie, kann sehr groß sein. Der Ladungsaustausch macht sich durch einen Knall und einen Lichtbogen bemerkbar.
Zwischen zwei Ladungen können unterschiedliche Stoffe den Ladungsaustausch verhindern. Die Feldstärke, den diese Stoffe aushalten, bis sie durchschlagen, nennt man Durchschlagsfestigkeit.
Wird die Durchschlagsfestigkeit überschritten, dann beschleunigen die Elektronen im elektrischen Feld so stark, dass beim Zusammenstoß mit neutralen Atomen, Ionen und Elektronen entstehen.
Bei der Durchschlagfestigkeit der Luft kommt es außerdem sehr auf die Elektrodenbeschaffenheit an. Wenn zwei spitzige Elektroden gegenüberstehen genügt schon 1 kV damit der Funke überschlägt. Das kommt davon, dass sich an den Spitzen das elektrische Feld stark verdichtet und so die Ionisation erleichtert. Es kommt knapp unterhalb der Durchschlagsspannung zu einer Glimmentladung (bläulich schwaches Licht im dunklen Raum) und man riecht Ozon. Das Ozon selber ist geruchlos. Es kommt zum Geruch, weil dieses intensive Radikal sich leicht mit anderen Stoffen in der Luft verbindet bzw. oxydiert.
| Stoffe | mittlere Durchschlagsfestigkeit |
|---|---|
| Luft | 3,3 kV/mm |
| Papier | 10 kV/mm |
| Zellmembran einer menschlichen Nervenfaser | 14 kV/mm |
| Porzellan | 20 kV/mm |
| PVC | 50 kV/mm |
| Glimmer | 60 kV/mm |
| Polysterol | 100 kV/mm |
Influenz (Ladungstrennung)
Bewegt man ein metallisches Objekt in ein elektrisches Feld, dann kommt es in diesem Objekt zu einer Ladungstrennung. Das heißt, es bildet sich darin eine elektrische Spannung. Diesen Vorgang nennt man auch Influenz. In der Mitte des Objekts entsteht dabei eine ladungsfreie Zone. Wird das Objekt in seiner Mitte aufgetrennt, dann entsteht ein feldfreier Raum. Auf diese Weise entsteht das Prinzip der Abschirmung gegen elektrische Felder (Faradayscher Käfig).
Die Influenz ist nur in Leiterwerkstoffen möglich.
Abschirmung unerwünschter elektrischer Felder
Elektrische Felder haben grundsätzlich den Nachteil der Beeinflussung der elektronischen Schaltung oder Schaltungsteile um sie herum. Zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern mit unterschiedlicher Ladung kommt es durch die Kraftwirkung des elektrischen Feldes immer zur Ladungstrennung (Influenz). Die dabei entstehenden Spannungen können sich störend auswirken. Zum Beispiel durch Rauschen oder Brummen in Audio- und Video-Übertragungen.
Um die Beeinflussung zu vermeiden oder zu vermindern greift man in der Regel zur Abschirmung durch Masseverbindung. Durch eine metallische Ummantelung wird der elektrische Leiter abgeschirmt. Durch die Verbindung der Hülle mit der Erde oder Masse wird das elektrische Feld aufgehoben. Die Abschirmung wird meistens durch ein Metallgehäuse oder in Leitungen durch Geflecht oder Gitter realisiert.
Elektrische Felder werden hauptsächlich durch spannungsführende Teile und Leitungen erzeugt.