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Physik – Physikalische Grundbegriffe von EMF

Feld, Feldstärke, Feldlinie

Feld

Schwerefeld der Erde. Quelle: FSM

In der Physik ist der Begriff "Feld" unerlässlich zur Beschreibung und Berechnung von elektromagnetischen Phänomenen und Wirkungen. Der Begriff ist recht abstrakt. Für die vorliegenden Bedürfnisse soll er die Verteilung von Kräften im Raum beschreiben. Ein Beispiel für ein nicht-elektromagnetisches Feld ist das Gravitations- oder Schwerefeld der Erde (Figur). Die Schwerkraft wirkt auf jede Masse und bewegt sie in Richtung Erdmittelpunkt. In der Figur ist die Kraft als Pfeil dargestellt, die Länge stellt die Grösse der Kraft dar, die Richtung des Pfeils die Richtung der Kraftwirkung.

Im Fall von elektromagnetischen Feldern (EMF) geht es sowohl um elektrische Felder (sie beschreiben die Verteilung von elektrischen Kräften im Raum) als auch um magnetische Felder (sie beschreiben die Verteilung von magnetischen Kräften im Raum). Im Hochfrequenzbereich treten elektrische und magnetische Felder häufig  eng miteinander verkoppelt / verschränkt auf, so dass man dann von einem elektromagnetischen Feld spricht.

Überall wo eine elektrische Spannung vorhanden ist, existiert ein elektrisches Feld. Beispiele sind elektrostatische Aufladungen  oder natürliche Spannungsgefälle zwischen Metallen. Je grösser ein Spannungsgefälle ist, desto stärker ist das elektrische Feld. Sobald ein elektrischer Strom fliesst baut sich ein Magnetfeld auf. Bewegte Ladungen „produzieren“ Magnetfelder. Ruhende Ladungen nicht. Je mehr Ladungen bewegt werden, desto stärker ist das Magnetfeld.

Feldstärke, Feldlinie

Feldkräfte (Pfeile) und Feldlinie. Quelle: FSM

Die Kraft, die an einem bestimmten Raumpunkt messbar ist, heisst "Feldstärke". Ein von dieser Kraft bewegtes Objekt beschreibt eine Bahn, die "Feldlinie" genannt wird. Die Feldkräfte stehen stets tangential zu den Feldlinien (Figur rechts). Feldstärken geben also an, wie gross die Kräfte sind, die ein Feld auf Ladungen ausübt und die Feldlinien zeigen, in welche räumliche Richtung diese Kraft weist.

Die Konvention besagt, dass die Richtung des elektrischen Feldstärkevektors auf die negative Ladung hin zeigt (Figur unten; die Stärke der Feldkräfte ist in dieser Abbildung als Farbsättigung wiedergegeben - je kräftiger die Farbe, desto grösser die Feldkraft). Das bedeutet, dass ein Elektron in einem elektrischen Feld eine Kraft erfährt, die gegen den Feldstärkevektor gerichtet ist (gleiche Ladungen stossen sich ab, Bild rechts, ungleiche Ladungen ziehen sich an, Bild links). Die Elektronen fliessen also in die dem elektrischen Feldstärkevektor entgegengesetzte Richtung, wohingegen die technische Stromrichtung, wie sie in Schaltschemen und Berechnungen gebraucht wird, in Richtung elektrischer Feldkräfte zeigt.

Bei elektrischen Feldern wird die Feldstärke in Volt pro Meter (V/m) gemessen, bei magnetischen Feldern häufig in Tesla (T). Genau genommen bezeichnet Tesla nicht die magnetische Feldstärke (sie wird in Ampère pro Meter, A/m, angegeben), sondern die magnetische Flussdichte. Die zwei Grössen sind jedoch ineinander umrechenbar (siehe "Messung von magnetischen Feldern").

Richtung und Stärke (Farbsättigung) von elektrischen Feldstärkevektoren. Quelle: FSM (Software: PhET Interactive Simulations)
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