Elektrisches Feld

Warum nutzen wir Elektronik in der Technik? Warum läuft ein Smartphone nicht mit Wasserkraft? Damit haben schließlich die Menschen über Jahrtausende erfolgreich ihre technischen Antriebe realisiert. Wo liegt der Vorteil der Elektronik, der dafür sorgt, dass sie sich praktisch überall durchsetzt?

Wir hatten im Kapitel Energie schon festgestellt, dass wir Energie umwandeln müssen, wenn wir z. B. etwas bewegen oder beleuchten wollen. In der klassischen Mechanik gibt es dafür einige unpraktische Einschränkungen, die uns im Alltag gar nicht mehr auffallen:

Ein Körper, der eine einen anderen bewegen möchte, muss diesen i. A. berühren. Das ist unpraktisch, denn Ursache und Wirkung einer Kraft müssen damit nah beieinander sein und es gibt Reibung und Verschleiß.

Eine weitere Einschränkung der Mechanik: Die Erde zieht Masse in Richtung ihres Mittelpunkts an. Stellen wir uns einmal vor, wir könnten kurzzeitig und lokal begrenzt die Erdanziehung in eine Erdabstoßung variabler Intensität „umpolen“. Reisen in den Weltraum wären deutlich einfacher, wenn in Cape Canaveral die Erde die Rakete für 2 Minuten abstoßen würde. Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Erdanziehungskraft einpacken und mit auf die ISS nehmen, so dass sie dort wirkt. Die alltägliche Welt ist stark eingeschränkt verglichen mit den Möglichkeiten der Elektronik.

Felder

Um zu klären, wie getrennte Ladung technisch genutzt werden kann, muss zunächst das Phänomen „Feld“ beschrieben werden: Woher weiß eigentlich das fliegende Flugzeug, dass es von der Erde angezogen wird? Es berührt die Erde schließlich nicht. Wie kommt die Erdanziehungskraft zum Flugzeug? Wie zieht die Erde Massen an, ohne diese zu berühren? Die Physiker erklären dies mit dem Begriff Feld.

Stark vereinfacht: Jede Masse zieht andere Massen an. Das nennen wir Gravitation. Die Anziehungskraft ist so gering, dass wir sie erst bei Planeten mit extrem großer Masse bemerken. Jede Masse weist ein Gravitationsfeld auf, in dem diese Anziehungskraft wirkt. Befindet sich eine andere Masse in diesem Feld, dann wirkt die Kraft des Feldes auf die Masse. Die Erde zieht also den Mond an, weil dieser innerhalb ihres Gravitationsfelds liegt.

Wir kennen das von Magneten, die ebenfalls über Felder Kräfte wirken lassen. Ein Magnet weist immer ein Feld auf, unabhängig davon, ob etwas zu Anziehen in der Nähe ist. Wird ein Stück Eisen in die Nähe des Magneten gebracht, wird dieser angezogen. Ab einem gewissen Abstand ist die Anziehungskraft größer als die Kräfte, die ihn an einer Bewegung hindern (z. B. Reibung am Boden) und er bewegt sich auf den Magneten zu. Danach haftet das Stück Eisen bis zum Ende aller Tage am Magneten.

Ein Feld nimmt immer mit dem Abstand zur Quelle ab. Je weiter wir uns von der Erde entfernen, desto geringer ist die Anziehung einer Masse durch die Erde. Bei einem Magneten kann diese Abstandsabhängigkeit sehr einfach in einem Experiment gezeigt werden.

Wie klappt das mit der Energie? Wird der Magnet nicht irgendwann schwächer? Wie kann der so lange durchhalten und theoretisch unendlich lange das Stück Eisen festhalten, ohne dass Energie nachgeschoben wird? Die Physiker sagen, dass Energie über Kraft mal Weg definiert ist. Es gilt

Ein Feld bewirkt nur eine Kraft F. So lange sich nichts bewegt, kann diese Kraft ohne Energieänderung ewig aufrecht erhalten werden. Die Bewegung des Eisens auf den Magneten zu ist eine Wegänderung ds. Sie ändert zusammen mit der Kraft die Energie im System. Nach der Bewegung wird dieser Zustand (Magnet haftet am Eisen) so lange aufrechterhalten, bis von außen wieder eine neue Änderung am System vorgenommen wird. Ohne Bewegung gibt es keine Wegänderung ds, also ist Kraft mal Wegänderung gleich 0. Eine Kraft durch ein Feld wird von einer Masse (Gravitationsfeld) oder einem Magneten (Magnetfeld) ohne Energieaufwand aufrechterhalten.

Ein Beispiel: Ein Stein liegt auf einem Tisch im Gravitationsfeld auf der Oberfläche der Erde. Ändert sich dessen potentielle Energie durch das Liegen auf dem Tisch? Nein, tut sie offensichtlich nicht. Der Stein wird aber die ganze Zeit von der Erde mit der Gravitationskraft angezogen. Es gibt also eine Kraft, ohne dass sich die Energie im System ändert. Sie bemerken die Kraft, wenn Sie den Tisch wegnehmen. Dann fällt der Stein nach unten. Dann haben wir eine Kraft und eine Wegänderung, und damit sinkt die potentielle Energie des Steins und diese wird umgewandelt in die kinetische Energie der Bewegung. Oft wird in einem technischen System die Wegänderung gezielt verhindert oder ermöglicht. Die Kraft ist oft kontinuierlich da.

Jedes System strebt den Zustand minimaler Energie an. Ein Stein fällt nach unten, weil er durch weniger potentielle Energie hat als weiter oben. Der Antrieb oder die Motivation für jede Bewegung ds liegt in diesem Prinzip. Wenn der Stein angehoben wird, steigt die Energie im System. Dafür muss dem System von außen Energie zugefügt werden. Die Energie für die Bewegung ist die Differenz der Energien im System vor und nach der Bewegung.

Das elektrische Feld

Ein Grund für den Erfolg der Elektronik ist die Möglichkeit, Felder künstlich zu erzeugen. Werden Ladungen unterschiedlicher Polarität getrennt (also positive und negative Ladungen), dann entsteht immer ein elektrisches Feld. So wie Gravitationsfelder von Massen verursacht werden und auf Massen wirken, so werden elektrische Felder von getrennten Ladungen verursacht und sie wirken auf Ladungen.

Wir bewegen wie im Kapitel Ladung gedanklich eine Ladung von einem Körper auf einen anderen. Die beiden Körper sind jetzt unterschiedlich geladen, der eine positiv und der andere negativ. Es wirkt eine Kraft auf die Ladung, die gerade bewegt worden ist, die sie wieder zurück zum „eigenen“ Körper zieht. Diese Kraft wirkt berührungslos über ein Feld.

Wenn zwischen den Körpern keine elektrisch leitende Verbindung besteht, über die sich die Ladung bewegen könnte, bleibt das Ungleichgewicht dauerhaft bestehen. Damit bleiben auch das Feld und die Kraft bestehen. Der Tisch, auf dem der Stein liegt, hindert den Stein daran, sich zum Erdmittelpunkt hin zu bewegen. Ohne leitende Verbindung kann die Ladung nicht ausgeglichen werden.

Das Gravitationsfeld der Erde wirkt immer zum Zentrum / Mittelpunkt der Erde hin. Wir veranschaulichen die Wirkungsrichtung eines Feldes durch Feldlinien. Feldlinien zeigen in die Richtung, in die die Kraft wirkt, also in die eine Bewegung stattfinden würde. Das elektrische Feld zeigt immer von der positiven zur negativen getrennten Ladung. Seine Feldlinien zeigen also in die Richtung, in die eine Kraft auf eine positive Ladung wirkt. Die folgende Grafik zeigt das Feld der Gravitation der Erde und das elektrische Feld einer negativen Punktladung:

Der Mechanismus, über den die Erde den Mond anzieht, ist der gleiche, über den sich unterschiedlich geladene Ladungen anziehen.

Stellen Sie sich zwei Metallplatten vor, die sich gegenüberstehen. Wir trennen jetzt die Ladung so, dass die eine Platte positiv, die andere negativ geladen ist. Zwischen den Platten bildet sich dadurch ein elektrisches Feld aus. Auf Ladungen zwischen den Platten wirkt durch das Feld eine Kraft. Eine positive Ladung, die sich zwischen den Platten aufhält, wird in Richtung der negativ geladenen Platte angezogen.

Wir können diese Platten beliebig im Raum ausrichten. Wir können die Richtung des Feldes umdrehen, indem wir die Ladungen auf den Platten umpolen. Wir können an einem Ort die Ladungen trennen und die Platten an einen anderen Ort bringen, wo das Feld dann wirkt. Es ist egal, wann das Feld erzeugt worden ist, und wann wir es nutzen. Wir können die Intensität und Polarität des Feldes sogar über der Zeit verändern, dann ist das Feld nicht mehr zeitlich konstant.

Eine Batterie beinhaltet stark vereinfacht ein solches Feld aus getrennten Ladungen, die in zwei Kammern lagern.

Wir können das Feld (also die Batterie) einfach mit uns herumtragen. Die Ladung muss sich nicht einmal zwischen den Platten befinden, damit die Kraft auf sie wirkt. Die Kraftwirkung des Felds können wir über Kabel von den Platten aus z. B. in eine LED führen. Wir können komplexe Schaltungen wie ein Smartphone mit einer einigen Batterie betreiben, und darin befinden sich hunderte von Baugruppen, in denen Ladung bewegt wird, um jeweils etwas zu betreiben. Das elektrische Feld ist also – verglichen mit dem Gravitationsfeld der Erde – extrem flexibel. Diese Eigenschaft macht die Elektronik für technische Lösungen so attraktiv.

Ladungstrennung in der Elektronik

Wenn wir verstehen, wie diese Felder in elektronischen Systemen verwendet werden, dann können wir auch deren Einsatz in der Praxis wirklich verstehen. Wir betrachten dafür zur Vereinfachung Systeme, in denen sehr viel Ladung getrennt ist, und nur sehr wenig dieser Ladung wieder ausgeglichen wird. Wenn Sie mit einer Batterie eine Taschenlampe betreiben, ist in der Batterie extrem viel Ladung getrennt. Durch das Leuchten der LED in der Lampe wird nur sehr wenig dieser getrennten Ladung wieder ausgeglichen. Sonst wäre die Batterie auch sofort leer. Warum tun wir das? Weil wir damit eine Entkopplung der Feldursache und der Feldwirkung erreichen. Warum ist das wichtig?

Wenn zwei einzelne Ladungen getrennt werden, entsteht bereits ein Feld. Nach dem Ladungsausgleich ist dieses Feld wieder weg. Die Ladung macht sich also ihr eigenes Feld, sie ist gleichzeitig Feldursache und das Objekt, auf das das Feld wirkt. Das macht Hirnknoten. Und die Vorstellung ist nicht hilfreich, denn entspricht nicht dem, was wir in der Praxis i. A. vorliegen haben.

Wenn extrem viel Ladung zwischen zwei Körpern getrennt ist und wir den Ladungsausgleich einer einzelnen Ladung betrachten, dann können wir davon ausgehen, dass das Feld durch diesen einzelnen kleinen Ladungsausgleich nicht verändert wird. Ursache und Wirkung werden getrennt. Dieses Bild verwenden wir ab jetzt.

Weiterführende Informationen

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