Techniklexikon

elektrisches Feld

Elektrodynamik und Elektrotechnik, der elektrische Zustand des (leeren oder materieerfüllten) Raumes. Das elektrische Feld wird durch ruhende (elektrostatisches Feld) oder bewegte elektrische Ladungen erzeugt (elektromagnetisches Feld). Das elektrische Feld wird durch den Vektor der elektrischen Feldstärke E mit der Einheit V / m beschrieben. E(x) kann durch die elektrischen Feldlinien dargestellt werden, sein Energiegehalt wird elektrische Feldenergie genannt.

Das elektrische Feld im Abstand r von einer Punktladung Q ist E = Qr / (4pe₀r³). Das Feld mehrerer Ladungen ergibt sich durch Addition der Einzelfelder (Superpositionsprinzip). Für eine Ladungsverteilung r gilt: e₀ div E = r (Gaussscher Satz, Maxwell-Gleichungen). In nichtleitender Materie (Dielektrikum) wird das elektrische Feld durch die elektrische Polarisation verändert, daher wird die dielektrische Verschiebung D = eE eingeführt (e: Dielektrizitätskonstante), für die in Vakuum und Materie divD = r gilt. Innerhalb eines Leiters verschwindet das elektrische Feld, da jede Potentialdifferenz durch die frei beweglichen Ladungsträger sofort wieder ausgeglichen würde.

Das elektrostatische Feld ist wirbelfrei (rotE = 0), daher kann es als Gradient eines skalaren Feldes dargestellt werden, des Coulomb-Potentials f: E = - 5f. Im dynamischen Fall gilt rotE = -dB / dt und E = - 5f - dA / dt (Lorentz-Eichung, B: magnetische Flussdichte, A: Vektorpotential). In der relativistischen oder kovarianten Formulierung der Elektrodynamik verschmelzen elektrisches Feld und Magnetfeld zum Feldstärketensor. In der Quantenelektrodynamik (QED) wird das (kontinuierliche) elektrische Feld als makroskopischer Limes des Austausches von diskreten, virtuellen Feldquanten, den Photonen, interpretiert.

Eine elektrische Ladung Q erfährt im statischen elektrischen Feld eine Kraft F = QE, die sog. Coulomb-Kraft, allgemein die Lorentz-Kraft F = Q(E +  v × B) ( v: Geschwindigkeit der Ladung, z.T. wird mit Lorentz-Kraft auch nur die magnetische Kraft Q v × B gemeint). Über diese Kraftwirkung kann das elektrische Feld gemessen werden, eine andere Möglichkeit ist z.B. der elektrolytische Trog. Ein elektrisches Feld mit parallelen Feldlinien wie z.B. im Plattenkondensator heisst homogen. Dort erfährt ein elektrischer Dipol p ein Drehmoment M = p × E; im inhomogenen Feld wirkt auf den Dipol eine zusätzliche resultierende Kraft F = (p × 5)E.

Der Begriff des elektrischen (und des magnetischen) Feldes wurde 1831 von M. Faraday eingeführt. Er ersetzte die ältere Auffassung von der momentanen Fernwirkung der elektrischen Kräfte (Fernwirkungstheorie). Das Feld ist demnach ein durch die Ladungen hervorgerufener Spannungszustand des Raumes selbst, der sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet (Nahwirkungstheorie). Die Annahme, es gebe dabei wie beim Schall ein eigenes, den Raum erfüllendes Medium (Äther), wurde durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt und ist seit A. Einsteins Spezieller Relativitätstheorie obsolet.