Elektrisches Feld

Zwei Ladungen ziehen sich an oder stoßen sich ab, ohne sich zu berühren. Die Physik beschreibt das mit einem elektrischen Feld: Jede Ladung verändert den Raum um sich herum so, dass auf andere Ladungen dort eine Kraft wirkt. Dieses Feld ist kein Rechentrick – es speichert Energie, breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und ist die eigentliche Ursache dafür, dass in einem Leiter Strom fließt.

Feldlinien

Felder selbst sind unsichtbar. Um sie darzustellen, zeichnet man Feldlinien. Sie zeigen die Richtung der Kraft auf eine positive Probeladung und folgen einfachen Regeln:

• Sie beginnen an positiven und enden an negativen Ladungen.
• Sie schneiden sich nie.
• Sie treffen senkrecht auf leitende Oberflächen.
• Wo sie dicht liegen, ist das Feld stark; wo sie weit auseinanderliegen, schwach.

Um eine einzelne Punktladung laufen die Feldlinien strahlenförmig nach außen (positiv) oder nach innen (negativ). Ein solches Feld heißt inhomogen, weil Stärke und Richtung von Ort zu Ort wechseln. Zwischen zwei parallelen, entgegengesetzt geladenen Platten dagegen verlaufen die Linien parallel und gleich dicht: ein homogenes Feld.

Die elektrische Feldstärke

Wie stark ein Feld ist, gibt die Feldstärke E an – die Kraft auf eine Probeladung, geteilt durch deren Ladung:

Im homogenen Feld zwischen zwei Platten im Abstand d, an denen die Spannung U liegt, gilt einfach:

Die Einheit ist daher Volt pro Meter (V/m); gleichwertig ist Newton pro Coulomb. Umgekehrt ist die Spannung das, was sich ergibt, wenn du die Feldstärke über einen Weg aufsummierst – so hängen Feld und Potential zusammen.

Der Kondensator speichert Feldenergie

Zwei leitende Platten mit einem Isolator dazwischen bilden einen Kondensator. Legst du eine Spannung an, sammeln sich auf den Platten entgegengesetzte Ladungen, und zwischen ihnen entsteht ein homogenes Feld. Seine Kapazität hängt von Fläche A, Abstand d und Isolierstoff ab:

Die Permittivitätszahl ε_r beschreibt, wie stark ein Isolierstoff das Feld schwächt und damit mehr Ladung pro Volt zulässt: Luft hat etwa 1, das Platinenmaterial FR-4 rund 4,5, Keramik in Vielschichtkondensatoren einige Tausend. Die im Feld gespeicherte Energie beträgt W = ½ · C · U².

Auch auf jeder Platine entstehen solche Kondensatoren ungewollt: Zwei benachbarte Leiterbahnen, eine Bahn über einer Massefläche – überall gibt es kleine parasitäre Kapazitäten im Bereich von Pikofarad. Bei schnellen Signalen koppeln sie Störungen von einer Leitung auf die andere (siehe EMV).

Durchschlag und Spitzenwirkung

Jeder Isolierstoff hält nur eine bestimmte Feldstärke aus, die Durchschlagfestigkeit. Wird sie überschritten, beschleunigt das Feld einzelne freie Elektronen so stark, dass sie beim Aufprall auf neutrale Atome weitere Elektronen herausschlagen und Ionen zurücklassen (Stoßionisation). Die Zahl der Ladungsträger wächst lawinenartig, der Isolator wird schlagartig leitend, und es entsteht ein Funke oder Lichtbogen. Bei festen Isolierstoffen bleibt danach meist ein verkohlter, dauerhaft leitender Kanal zurück.

Die Werte schwanken je nach Dicke, Temperatur, Feuchte und Frequenz stark; Datenblätter des jeweiligen Materials sind maßgeblich.

An Spitzen und scharfen Kanten drängen sich die Feldlinien zusammen; die Feldstärke ist dort viel höher als an glatten Flächen. Diese Spitzenwirkung nutzt der Blitzableiter. Zwischen zwei Spitzen schlägt ein Funke deshalb schon bei deutlich kleinerer Spannung über als zwischen Kugeln oder Platten mit gleichem Abstand. Knapp unterhalb der Durchschlagspannung leuchtet die Luft an den Spitzen schwach bläulich (Glimm- oder Koronaentladung), und es riecht nach Ozon, das die Entladung aus dem Luftsauerstoff bildet. In Hochspannungsschaltungen rundet man Kanten deshalb ab.

Abschirmung: der Faradaysche Käfig

Bringst du einen Metallkörper in ein elektrisches Feld, verschieben sich seine freien Elektronen durch Influenz so lange, bis das Feld im Inneren verschwindet. Ein geschlossenes Metallgehäuse – ein Faradayscher Käfig – hält statische und niederfrequente elektrische Felder daher vollständig von seinem Inneren fern. Darum stecken empfindliche Hochfrequenzschaltungen in Abschirmblechen. (Dass du bei Gewitter im Auto sicher bist, liegt ebenfalls an der leitenden Hülle: Der Blitzstrom fließt außen über die Karosserie.)

Dasselbe Prinzip schützt Signalleitungen: Ein Kabelschirm aus Geflecht oder Folie, der mit Masse verbunden ist, fängt die Feldlinien benachbarter spannungsführender Leitungen ab. Ohne Schirm würden sie über Influenz Störspannungen in die Leitung einkoppeln – hörbar als Brummen oder Knistern im Audiosignal. Wichtig ist die Masseverbindung: Ein Schirm, der „in der Luft hängt“, nimmt selbst ein Potential an und koppelt die Störung weiter. Gegen hochfrequente Felder wirkt das Gehäuse nur, solange seine Öffnungen klein gegen die Wellenlänge sind (siehe elektromagnetisches Spektrum).

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