Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

4.7 Materie im elektrostatischen Feld Alle Körper enthalten elektrische Ladungen. Im elektrischen Feld werden die Elek- tronen verschoben, was in Metallen leicht möglich ist, in Isolatoren nur begrenzt. In jedem Fall wird das ursprünglich vorhandene elektrische Feld verändert. Leiter im elektrostatischen Feld – der Faradaykäfig In Schauversuchen zur Hochspannung wird oft der Faradaykäfig demonstriert. Eine Person setzt sich in einen Käfig aus engmaschigem Drahtgeflecht, dann wird der Käfig auf eine Spannung von ca. einer halben Million Volt gegenüber dem Erd- boden aufgeladen. Die anschließende Blitzentladung gefährdet die Person nicht – vorausgesetzt sie trägt einen Gehörschutz wegen des lauten Knalls. Wie ist der Schutz durch den Käfig zu erklären? ( 101.1 ) Influenz Wenn man ein elektrisch neutrales Metallstück in ein elektrostatisches Feld bringt, dann verschieben sich die frei beweglichen Elektronen relativ zu den posi- tiven Metall-Ionen. Dadurch entsteht im Metall ein inneres Feld, das stark genug ist, um eine weitere Verschiebung von Ladungen zu verhindern. Daher hat das in- nere Feld die gleiche Stärke, jedoch die entgegengesetzte Richtung wie das ange- legte Feld. Die Überlagerung der beiden Felder bewirkt, dass das Leiterinnere feldfrei ist. ( 101.2 ) Auf der Leiteroberfläche entstehen dadurch Bereiche mit Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel, also mit negativer bzw. positiver Ladung, insgesamt bleibt der Leiter neutral. Diese Erscheinung nennt man Influenz . Ein elektrostatisches Feld verschiebt in einem Leiter die frei beweglichen Elektronen, bis die elektrische Feldstärke im Leiterinneren verschwindet. Wenn man einen zunächst elektrisch neutralen Leiter elektrisch auflädt, trägt er überschüssige Ladungen. Wegen der gegenseitigen Abstoßung können diese La- dungen nur auf der Leiteroberfläche sitzen. Untersuche, überlege, forsche: Überschussladungen in Leitern 101.1 W 1 Welche Wirkung hätte es, wenn es dir gelänge, ein Elektron in das Innere ei- nes Leiters zu bringen? Versuche zu begründen, warum überschüssige Ladungen nur auf der Leiteroberfläche sitzen können. An der Leiteroberfläche muss die elektrische Feldstärke senkrecht zur Oberfläche stehen. Sonst würde eine Komponente der Feldstärke parallel zur Leiteroberfläche Ladungen auf der Oberfläche verschieben, bis die gegenseitige Abstoßung der La- dungen eine weitere Verschiebung verhindert. Die Summe der elektrischen Kräfte parallel zur Leiteroberfläche ist daher Null, die Feldstärke steht normal zur Ober- fläche. Dies gilt nur für isolierte Leiter in elektrostatischen Feldern, nicht für stromdurch- flossene Leiter: Mit einer Spannungsquelle (Batterie) kann man in einem Leiter ein elektrisches Feld aufrecht erhalten. Die Elektronen im Leiter bewegen sich dann ständig entgegen der Richtung der Feldstärke. Es fließt also ein elektrischer Strom. In diesem Fall verschwindet die Feldstärke im Leiter nicht. Schützt die metallische Auto-Karosserie gegen Blitzschlag? Wie Michael Faraday im Jahr 1823 entdeckte, schirmt ein metallischer Käfig ( Fa- raday-Käfig ) elektrostatische Felder ab. Die auf dem Faraday-Käfig influenzierte Ladungsverteilung erzeugt im Innenraum ein Gegenfeld, welches das ursprünglich vorhandene Feld genau kompensiert. Bei einem Blitzeinschlag in ein Fahrzeug be- steht allerdings die Gefahr, dass die Bordelektronik beschädigt wird oder durch Erschrecken die Kontrolle über das Fahrzeug verloren geht. 101.3 Soll man bei Gewitter im Auto sitzen bleiben, welchen Schutz bietet die metallische Karosserie? Hier sehen wir einen Labor- versuch zum Blitzschutz. E 1 E 1 101.2 Elektrische Felder in Leitern ver- schwinden: a) Das äußere elektrische Feld dringt zunächst in den Leiter ein und verschiebt die Leitungs- elektronen gegenüber den Metallionen, bis b) das Feld der verschobenen Ladungen das äußere Feld kompensiert. Die Ladungsvertei- lung auf der Oberfläche stellt sich so ein, dass die Feldlinien außen senkrecht auf die Ober- fläche stehen. 101.1 Eine halbe Million Volt führen zu einem Funkenüberschlag in diesem Schau- versuch. Die Versuchsperson im Käfig benötigt lediglich einen sehr guten Schallschutz. Faraday hat die Abschirmung elektrischer Felder durch metallische so genannte Faraday- käfige 1823 entdeckt. 101 | FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv