Die Energie des elektrischen Feldes

(Kursstufe > Das elektrische Feld)

Die Betrachtungen zur Energie des elektrischen Feldes führt man am Beispiel eines idealen Plattenkondensators durch. Dadurch sind die Ergebnisse auch auf alle homogenen Felder übertragbar. Bei inhomogenen Feldern muss man einen hinreichend kleinen Raumausschnitt wählen, in dem das Feld annähernd homogen ist.

Energiedichte des elektrischen Feldes eines Kondensators

Versuch: Plattenabstand vergrößern bei konstanter Ladung

Versuchsaufbau mit statischem Voltmeter

Bei größerem Abstand gibt es mehr Feld mit der gleichen Feldstärke. Der Abstand der Äquipotentialflächen bleibt gleich.

Ein Plattenkondensator wird z.B. mit einer geriebenen Schallplatte oder mit einem Hochspannungsnetzgerät auf 10kV aufgeladen und dann von der Spannungsquelle getrennt. Danach vergrößert und verkleinert man den Abstand der Platten.

Beobachtung

Beim Auseinanderziehen der Platten steigt die Spannung an. Schiebt man die Platten wieder auf den ursprünglichen Abstand zusammen, so stellt sich auch die ursprüngliche Spannung wieder ein.

Video des Versuchs. (Uni Würzburg)

Folgerung

Die Ladung pro Fläche und damit die Feldstärke ist konstant:

[math]E = \frac{1}{\epsilon_0}\frac{Q}{A}[/math]

Die räumliche Änderung des Potentials ist daher auch konstant. Bei größerem Abstand steigt deswegen die Potentialdifferenz, also die Spannung:

[math]E = \varphi ' = \frac{U}{d} \quad \Rightarrow \quad U = E\, d [/math]

Je kleiner der Plattenabstand ist, desto geringer ist die Spannung bei gleicher Ladungsmenge. Die Kapazität des Kondensators ist antiproportional zum Plattenabstand!

Für das Auseinanderziehen der Platten ist Energie nötig, denn die Platten werden vom Feld zusammengezogen. Diese Energie steckt in dem immer größer werdenden Feld und kommt aus dem Menschen, der die Platten auseinanderzieht. Die Energiedichte beschreibt wieviel Energie pro Volumen im Feld gespeichert ist:

[math] \begin{array}{rcl} \rho &=& \frac{W}{V} \\ &=& \frac{\frac{1}{2}C\,U^2}{A\,d}\\ &=& \frac{\frac{1}{2} \epsilon_0 \, \frac{A}{d}\, (E\,d)^2}{A\,d}\\ &=& \frac{\frac{1}{2} \epsilon_0 \, A\, E^2 d^2}{A\,d^2}\\ &=& \frac{1}{2} \epsilon_0 \, E^2 \end{array} [/math]

Die Energiedichte des elektrischen Feldes ist proportional zum Quadrat der Feldstärke: [math]\rho_{el} = \frac{W}{V} = \frac{1}{2} \epsilon_0 \, E^2[/math]