Big Bang Physik 6, Schulbuch

Felder  99 Das elektrische Feld  25  25.4 Rauf auf den Berg Spannung und „elektrischer Höhenunterschied“ In diesem Abschnitt beleuchten wir das elektrische Feld aus Sicht der Spannung, und du lernst andere grafische Darstellungsmöglichkeiten für elektrische Felder kennen. Wenn du eine Masse im Gravitationsfeld der Erde hebst, musst du Arbeit aufwenden. Diese ist dann als potenzielle mechanische Energie in ihr gespeichert (Tab. 22.3, S. 76). Wenn du eine Ladung gegen ein elektrisches Feld ver- schiebst, dann musst du ebenfalls Arbeit aufwenden. Diese ist dann als potenzielle elektrische Energie in der Ladung gespeichert. Die elektrische Spannung ist daher als Arbeit pro Ladung definiert, also U = W / Q (siehe S. 76). In Abb. 25.19 sind zwei gleiche und zwei ungleiche Zentral- ladungen dargestellt. Die Berge und Täler entsprechen der potenziellen elektrischen Energie einer kleinen positiven Testladung, die du in diesem Feld herumschiebst. Wenn du die Testladung an eine positive Zentralladung heran- schiebst, musst du Energie aufwenden. Es ist genau so, als würdest du etwas einen Berg hinaufrollen. Deshalb werden positive Zentralladungen als Berge dargestellt. Wenn sich die Testladung in Richtung einer negativen Ladung bewegt, wird Energie frei. Es ist so, als würdest du etwas einen Berg hinunterrollen. Deshalb sind negative Zentralladungen als Senken eingezeichnet. Man versteht an dieser Darstellung sofort, warum man die Spannung als „elektrischen Höhenunterschied“ bezeichnet. Die Energie- Die elektrische Spannung kann man auch als „elektri- schen Höhenunterschied“ bezeichnen? Was ist damit gemeint? Lies nach in Kap. 22.2, S. 76. Zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden kann es kurz vor dem Blitz zu Spannungen von 100 Millio- nen Volt kommen! Ist die Wolke einen Kilometer über dem Boden, bedeutet das eine Feldstärke von 100.000 Volt pro Meter. Herrscht dann zwischen Kopf und Füßen eines Menschen eine Spannung von fast 200.000V? Warum überlebt man das? Um die kleine Ladung von a nach b zu schieben, (Abb. 25.18) ist Arbeit nötig, um sie von a nach c zu schieben aber nicht. Warum? Viele Wassertiere, wie etwa Haie, können unter dem Meeressand verborgene Futterfische ausmachen, ohne dass sie diese sehen oder riechen können. Wie machen sie das? F12 S2  F13 S2  Abb. 25.18 F14 W1  F15 E2  verhältnisse beim Verschieben einer Ladung im elektrischen Feld sind ganz ähnlich wie beim Verschieben einer Masse in einer Hügellandschaft. Oft wird das elektrische Feld auch so wie in Abb. 25.20 dargestellt. Die potenzielle Energie ist dann in Form von „Höhenlinien“ eingezeichnet, ganz ähnlich wie auf einer geografischen Karte. Diese Linien verbinden Orte mit gleicher (= äquivalenter) potenzieller Energie. Man spricht daher von Äquipotenziallinien oder, in drei Dimensionen, von Äquipotenzialflächen. Diese stehen immer normal zu den elektrischen Feldlinien. Um eine Ladung entlang einer Linie mit gleicher potenzieller Energie zu verschieben, be- nötigt man keine Energie (Abb. 25.21, F14 ). Das ist damit vergleichbar, dass man eine Masse auf gleicher Höhe um einen Berg herumrollt.  Info: Gewitterwolke Abb. 25.19:  Darstellung der potenziellen Energie einer positiven Testladung im elektrischen Feld Abb. 25.20:  Hier sind die Berge und Täler als Höhenlinien dargestellt. Es ist quasi Abb. 25.19 von oben gesehen. Zusätzlich sind auch die elektrischen Feldlinien eingezeichnet. Abb. 25.21:  Zwei verschiedene Darstellungen, um F14 aufzulösen: Um die Ladung von a nach b zu schieben, muss ein „elektrischer Höhenunterschied“ überwunden werden. c liegt aber auf demsel- ben Energieniveau wie a. Die Ladung wird also quasi auf gleicher Höhe um den Berg geschoben. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv