Dieses Kapitel beschreibt typische Anwendungen für die technische Nutzung elektrischer Felder.
Ablenkung geladener Teilchen
Wenn ein geladenes Teilchen zwischen den Platten eines Kondensators hindurchfliegt, dann wird dessen Flugbahn durch das elektrische Feld abgelenkt. Es wirkt eine elektrostatische Kraft auf die geladenen Teilchen, die proportional zu Ladung der Teilchen ist.
Man kann diesen Versuch als eine Punktladung modellieren, die sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit durch ein elektrisches Feld bewegt. Durch die Abstoßung bzw. die Anziehung des Teilchens durch die Platten wirkt eine Kraft F auf das Teilchen.
Die Ablenkung des Teilchens – und damit die Änderung seiner Flugbahn – hängt der Ladung und der Masse des Teilchens ab. Wenn man diese Ablenkung misst, indem man die Position misst, an der die Teilchen auf einen Schirm treffen, dann kann man aus der Abweichung des Auftreffpunktes von der Mitte des Schirms auf die Masse und die Ladung des Teilchens schließen.
Elektrolyse
In einer Flüssigkeit sind Ionen gelöst. Ionen sind winzige geladene Teilchen, die sich in der Flüssigkeit frei bewegen können. Sie können als Punktladung modelliert werden. In diese Flüssigkeit werden zwei Metallstäbe (Elektroden) gesteckt, an denen eine Spannung angelegt wird. Durch die Spannung wird ein Metallstab positiv und der andere negativ geladen. Zwischen den Elektroden bildet sich ein elektrisches Feld in der Flüssigkeit aus. Der Metallstab mit dem positiven Potential (Anode) zieht negativ geladene Ionen an. Der mit dem negativen Potential (Kathode, „neKATiv“) zieht positiv geladene Ionen an.
Die Ionen bewegen sich aufgrund der elektrostatischen Kräfte entlang der Feldlinien auf die Elektroden zu. Das erste Bild zeigt die Ansicht von oben, und das darauffolgende Bild zeigt die Ansicht von der Seite auf das Becken.
Die Bewegung der Ionen durch die Flüssigkeit ist eine Ladungsbewegung, also ein Stromfluss. Damit wird der Stromkreis mit der Quelle geschlossen. Elektronen bewegen sich also aus der Quelle durch Kabel in die Kathode, von dort ziehen negativ geladene Ionen durch die Flüssigkeit zur Anode, und von der Anode bewegen sich dann wieder Elektronen zur Quelle zurück.
Mit der Zeit lagern sich die Ionen an den Elektroden an, so dass sich um die Kathode viele positiv geladene Ionen anliegen und an der Anode viele negativ geladene Ionen anliegen. Diese Anlagerung verhindert weiteren Stromfluss. Man kann dieses Problem z. B. mit einer Wechselspannung an Stelle einer Gleichspannung lösen.
Bei der Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der positiv geladene Wasserstoff bewegt sich zur negativ geladenen Kathode und steigt dort als Gas auf. Der negativ geladene Sauerstoff bewegt sich zur positiv geladenen Anode und steigt dort ebenfalls als Gas auf. Das Ausgangsprodukt Wasser ist flüssig, die Endprodukte sind beide gasförmig. Deshalb lagert sich bei der Elektrolyse – bis auf Dreck – auch nichts an den Elektroden an.
Aufgabe:
Mit welcher Formel wird die elektrische Feldstärke an einem Punkt in der Flüssigkeit berechnet, wenn die Spannung an den Elektroden bekannt ist? Gehen Sie dabei davon aus, dass das elektrische Feld homogen ist.
Überlegen Sie, mit welcher Formel Sie den Betrag der Kraft auf die Ionen berechnen können. Gehen Sie dabei davon aus, dass der Betrag der Feldstärke E an der Stelle des betrachteten Ions bekannt ist, und dass Sie die Position des Ions kennen.
Spannungsüberschlag
Wird die elektrische Feldstärke in Luft zu groß, dann bildet sich ein leitfähiger Kanal in Luft aus (Plasma) und es kommt zu einem Spannungsüberschlag. Luft ist also ein Nichtleiter, bis die Feldstärke zu groß wird. Dies passiert zum Beispiel, wenn zwei Körper mit unterschiedlichem Potential zu nah zusammengeführt werden. Die Feldstärke berechnet man aus der Spannung nach
Ab einer Feldstärke von etwa 1kV pro Zentimeter wird Luft leitend. Wenn Sie also neben einer Hochspannungsleitung mit einer Spannung U = 10kV stehen, dann sollten Sie mindestens 10cm Abstand halten. Dieser grobe Richtwert gilt bei trockener Luft, bei hoher Luftfeuchtigkeit ist die kritische Feldstärke deutlich geringer, also gehen Sie bitte niemals auch nur in die Nähe solcher Leitungen. Wenn die Luft feucht ist und die Spannung höher ist, dann kann auch ein Meter Abstand zu einem tödlichen Überschlag der Spannung auf Ihren Körper führen.
Ein Blitz ist ein Spannungsüberschlag zwischen den Wolken, die sich durch Reibung aneinander elektrostatisch aufgeladen haben, und der Erde. Es bildet sich ein leitfähiger Kanal durch die Luft, der einige hundert Meter lang sein kann. An einem Blitz können Sie erkennen, wie destruktiv Spannungsüberschläge für Menschen und für technische Systeme sind. Deshalb müssen wir in technischen Systemen bei hohen Spannungen immer ausreichend Abstand einplanen.
Spannungsüberschläge sind der Grund, warum der Plattenabstand bei Kondensatoren nach unten begrenzt ist. Man kann die Kapazität C eines Kondensators durch Reduktion des Plattenabstands d nicht beliebig reduzieren. Es gilt:
Weniger Abstand d führt zu einer größeren Kapazität C. Der Abstand d ist nach unten durch die Überschlags- oder auch die „Durchschlagsfestigkeit“ des Füllmaterials zwischen den Platten begrenzt. Die maximale Spannung („Spannungsfestigkeit“) eines Kondensators gibt an, bei welcher Spannung es noch nicht zu einem Überschlag der Spannung innerhalb des Kondensators kommt.
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