Physik-LK · Skript PL3 · Elektrizitätslehre

Arbeit im elektrischen Feld

Führst du eine Ladung durch ein elektrisches Feld, verrichtest du Arbeit oder das Feld verrichtet sie. Hier wird die Arbeit Stück für Stück längs deines Wegs zusammengezählt. Am Ende zeigt sich: Sie hängt nur von Anfangs- und Endpunkt ab, und genau deshalb gibt es Potential und Spannung.

So gehst du vor

1Ziehe die Ladung mit dem Finger von A nach B, auf einem beliebigen Weg. Lässt du sie nah bei B los, rastet sie ein und der Weg kommt in die Liste.
2Führe sie auf mehreren Wegen, auch mit den Knöpfen „Gerade“, „Mit Knick“ und „Umweg“, und vergleiche die Arbeit.
3Vor dem ersten Weg kannst du B verschieben. Beobachte im Diagramm, wo die Arbeit zunimmt und wo sie gleich bleibt.
4Ändere den Bezugspunkt und sieh, was sich an Potential und Spannung ändert. Wechsle dann zur Punktladung.

Blau die Feldlinien, grün gestrichelt die Äquipotentiallinien mit ihrem Potential, rot die Kraft des Felds auf die Ladung. Der aktuelle Weg ist anthrazit, fertige Wege haben eigene Farben.

Feld

Spannung U

1 000 V

Plattenabstand d

10 cm

Bezugspunkt: φ = 0 an

Ladung q

2 nC

Arbeit W

0,00 µJ

Potential φ

0 V

Arbeit längs des Wegs

Zwischen A und B

U_AB = φ_B − φ_A = 550 V

E = Ud = 10 000 Vm

Aufträge

Stelle U = 1000 V, d = 10 cm, q = 2 nC ein. Führe die Ladung auf drei verschiedenen Wegen von A nach B. Was fällt dir auf? Berechne die Arbeit mit W = q · E · s, wobei s die Strecke längs der Feldlinien ist.
Ziehe die Ladung längs einer grünen Linie. Was macht die Arbeit im Diagramm? Begründe mit Kraft und Weg.
Führe die Ladung im Kreis und lasse sie wieder bei A los. Wie groß ist die Arbeit für diesen Rundweg?
Ändere den Bezugspunkt. Was passiert mit den Potentialen, was mit U_AB und W?
Schalte auf eine negative Ladung um. Was ändert sich bei Kraft und Arbeit?
Wechsle zur Punktladung und vergleiche wieder mehrere Wege. Warum geht W = q · E · s hier nicht, W = q · U aber schon?

Theorie: Elektrizitätslehre-Skript, Kapitel „Spannung und Potential“. Das Vorzeichen der Arbeit: positiv, wenn du sie gegen das Feld verrichtest und die Ladung potentielle Energie gewinnt.