Elektrische Feldstärke (E)
Die elektrische Feldstärke (E, Electric Field Strength) ist eine vektorielle Größe, die die Kraft pro Ladung beschreibt, die auf eine positive Probeladung an einem bestimmten Ort im Raum wirkt. Sie definiert sowohl die Richtung als auch die Intensität eines elektrischen Feldes und wird im internationalen Einheitensystem (SI) in Volt pro Meter (V/m) gemessen.
Unterschied zur elektrischen Spannung
Elektrisches Feld und elektrische Spannung stehen in enger Beziehung, beschreiben jedoch unterschiedliche physikalische Größen. Ihr Zusammenhang wird durch den Gradienten der Spannung beschrieben:
E = –∇V
Dabei gilt:
∇V ist der räumliche Gradient der elektrischen Spannung
Das Minuszeichen zeigt an, dass das elektrische Feld vom höheren zum niedrigeren Potential zeigt
Das bedeutet: Die elektrische Feldstärke beschreibt, wie stark und in welcher Richtung sich das elektrische Potential im Raum ändert.
Formeln zur elektrischen Feldstärke
Punktladung:
Für eine Punktladung Q im Vakuum gilt:
E = k × Q / r²
Mit:
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C² (Coulomb-Konstante)
Q = Elektrische Ladung (Coulomb)
r = Abstand zur Ladung (Meter)
Homogenes Feld (z. B. zwischen Platten):
Zwischen zwei geladenen Platten mit gleichmäßigem Feld:
E = V / d
Mit:
V = Spannungsdifferenz (Volt)
d = Abstand zwischen den Platten (Meter)
Diese Gleichungen finden Anwendung in theoretischen und praktischen Anordnungen wie Kondensatoren und elektrostatischen Systemen.
Beispielrechnung
Eine einzelne Punktladung von 1 μC (1 × 10⁻⁶ C) erzeugt in einem Abstand von 1 m im Vakuum eine elektrische Feldstärke von:
E = (8,99 × 10⁹) × (1 × 10⁻⁶) / (1)² = 8.990 V/m
Das bedeutet: Eine positive Probeladung würde in 1 m Entfernung eine Kraft erfahren, die einer Feldstärke von 8.990 Volt pro Meter entspricht.
Die Formel zeigt auch: Verdoppelt sich der Abstand zur Ladung, verringert sich die Feldstärke auf ein Viertel (E ∝ 1/r²). Das ist typisch für Punktquellen wie Ladungen oder Antennen.
Anwendungsbereiche der elektrischen Feldstärke
Die elektrische Feldstärke ist grundlegend für viele technische und wissenschaftliche Disziplinen:
Elektrotechnik: Hochspannungsanlagen, Isolationsauslegung, Energieverteilung
Elektronik: Simulation und Layout von Halbleitern und integrierten Schaltungen
Medizintechnik: Verfahren wie Elektrophorese oder Elektronenmikroskopie
Materialwissenschaften: Untersuchung von Dielektrika und Polarisationsverhalten
Telekommunikation: Feldverteilung an Antennen, Modellierung der Funkwellenausbreitung
Teilchenphysik: Feldsteuerung in Beschleunigern und Experimenten mit geladenen Teilchen