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2020 | OriginalPaper | Chapter

1. Die elektrische Ladung und das elektrische Feld

Author : Andreas Helzel

Published in: Elektrodynamik an Schule und Hochschule

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Wie jedes hochschulische Lehrbuch der Elektrodynamik beginnt auch dieses Buch mit der Elektrostatik und dabei mit der Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern und den daraus abgeleiteten neuen Konzepten der elektrischen Ladung als grundlegende Größe und dem elektrischen Feld zur Beschreibung der Wechselwirkung. In den Schulbüchern stehen diese Konzepte dagegen selten am Anfang der Elektrizitätslehre. In diesem Kapitel werden nicht nur direkt die schulische und hochschulische Darstellung dieser Konzepte besprochen, sondern auch, welchen Einfluss die Eingliederung innerhalb des Themengebietes der Elektrizitätslehre hat. Weiterhin werden beispielsweise die „Arten“von Ladung diskutiert, die Bedeutung der Probeladung und der Feldlinien für das Feldverständnis und die Flugbahnen von Wattestückchen.

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next chapter Der elektrische Strom
Footnotes
1
Polarisation, siehe Kap. 5.
 
2
Oft werden die unterschiedlichen Vorzeichen auch unterschiedliche „Arten“ von Ladung genannt. Mehr dazu in Abschn. 1.3.2.
 
3
Das Wort Teilchen wird in diesem Buch, wie in der übrigen Literatur, etwas lapidar verwendet. Man muss sich jedoch immer darüber im Klaren sein, dass es sich dabei nie um „Punktteilchen“ handelt, sondern vielmehr um kleine (eventuell quantenmechanische) Teilsysteme mit ihren oft nicht bestimmten Eigenschaften.
 
4
In der Prüfauflage dieses Buches mit derselben, jedoch vorläufigen ISBN Nummer heißt es dagegen: „Eine Probeladung ist ein elektrisch geladener Körper, dessen elektrisches Feld so schwach ist, dass es nicht in der Lage ist, elektrische Ladungen in der Umgebung der Probeladung zu verschieben.“
 
5
Hier sei gleich auf Abschn. 1.3.6 hingewiesen, der die Mängel dieses Versuchs herausstellt.
 
6
Als Analogie kann ein beliebig geformter Asteroid im Sonnensystem verwendet werden, der mit Teleskopen auf der Erde lediglich als heller Punkt wahrgenommen werden kann und daraus seine Flugbahn bestimmt wird.
 
7
In Fließbachs Elektrodynamik [14] wird dies zusammen mit dem elektrischen Potential besprochen. In diesem Buch wird das Potential erst im Kap. 3 eingeführt.
 
8
Bei Griffiths wird der elektrische Fluss als \(\Phi =\iint _A\vec {E}\cdot \text {d}\vec {A}\) eingeführt. Es wird also betrachtet, wie die Feldstärke \(\vec {E}\) und nicht \(\varepsilon _0\vec {E}\) eine Fläche durchdringt. In diesem Buch wird der elektrische Fluss dagegen wie in Bergmann/Schaefer ([39], S. 47) definiert. Vorteile dabei sind nicht nur die Vermeidung einer Überbeanspruchung des griechischen Buchstaben \(\Phi \) in der Elektrodynamik, sondern vor allem die Herstellung einer Konsistenz innerhalb der gesamten Elektrodynamik, also die Betonung der Analogie zwischen elektrischem und magnetischem Fluss. Der Integrand \(\varepsilon _0\vec {E}\) ist dabei genaugenommen die elektrische Flussdichte \(\vec {D}\) im Vakuum. Diese Größe wird erst im Kap. 5 eingeführt und kann dann analog zur magnetischen Flussdichte \(\vec {B}\) betrachtet werden.
 
9
Eine Zusammenfassung aller Maxwell-Gleichungen (integral und differentiell) sowie eine anschaulichen ihrer Bedeutung wird in Abschn. 10.​2.​1 gegeben.
 
10
Genau genommen ist nur eine einzelne physikalische Größe notwendig, um ein Einheitensystem zu definieren. In der Teilchenphysik werden zum Beispiel gern die sogenannten natürlichen Einheiten verwendet. Darin werden alle Naturkonstanten gleich eins gesetzt. Die einzige Einheit ist dann die einer Energie, das Elektronenvolt eV, die identisch mit der Masse ist. Die Einheiten anderer physikalischer Größen sind Potenzen des eV.
 
11
Mit den Einheiten für die Stromstärke und die Ladung sind auch die elektrischen und magnetischen Feldkonstanten \(\varepsilon _0\) und \(\mu _0\) festgelegt.
 
12
Das kann man leicht abschätzen, indem man die Kapazität einer Sphäre im Mikrometerbereich bestimmt und berechnet, wie viel Spannung notwendig ist, um eine weitere Elementarladung darauf zu bringen. Für eine Sphäre von 10 \(\mu \)m Durchmesser sind es \(0{,}3\,\)mV pro Elementarladung.
 
13
Hier erneut die Schreibweise wie in Bergmann/Schaefer, jedoch mit der Argumentation von Griffiths.
 
14
Die Influenz an den Leitern in diesem Experiment wird in Abschn. 4.​2.​3 anhand von Abb. 4.​4 genauer besprochen.
 
15
Da dies eine Eigenschaft von Metallen in einem Feld ist, wird diese Tatsache erst in Kap. 3 genau hergeleitet.
 
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Metadata
Title
Die elektrische Ladung und das elektrische Feld
Author
Andreas Helzel
Copyright Year
2020
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Book
Elektrodynamik an Schule und Hochschule

Print ISBN: 978-3-662-61841-7

Electronic ISBN: 978-3-662-61842-4

Copyright Year: 2020

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61842-4_1