Metalle im elektrostatischen Feld

Das Verhalten von Stoffen beziehungsweise Materie im elektrostatischen Feld haben wir in den vorherigen Kapiteln im Bereich elektrischer Feldern kennengelernt. In diesem Kapitel befassen wir uns mit einem Leiter im elektrostatischen Feld.

Stoffe beziehungsweise Materie im elektrischen Feld

Halten wir ein Metall in ein elektrostatisches Feld, so bemerken wir, dass sich die frei beweglichen Elektronen im Metall verschieben. Es kommt zu einer Ladungserteilung im Metall. Die Verschiebung der freibeweglichen Elektronen erfolgt so lange, bis die gesamte Feldstärke im Leiter 0 ist (die durch die Verschiebung der Elektronen entstanden ist).

Erst wenn sich dieses (durch die Elektronen) gebildete Gegenfeld im Metall aufhebt, kommt die Bewegung der Elektronen zum Stillstand. Das heißt, die frei beweglichen Elektronen verschieben sich so so lange bis die elektrische Feldstärke im Metallinneren 0 ist.

Dies lässt sich physikalisch einfach erklären: Feldlinien beginnen stets an Ladungen und niemals im Inneren eines Metalls, denn im Inneren eines Metalls sind „keine Ladungen“ vorhanden. Die Ladungen befinden sich auf der Oberfläche des mit Metalls. Dies erklärt sich dadurch, das gleichnamigen elektrische Ladungen sich voneinander abstoßen und möglichst weil voneinander entfernt anordnen. Daher finden wir die elektrische Ladung auf der Oberfläche und niemals im Inneren.

Diese Tatsache führt zum nächsten Prinzip: die Feldlinien eines elektrostatischen Feldes stehen immer senkrecht zur Leiteroberfläche. Gebe es eine Feldstärke parallel zur Leiteroberfläche, so würde dies zu einer Verschiebung der frei beweglichen Elektronen führen. Dieses Prinzip findet beispielsweise Anwendung beim Metallkäfig (Faraday Käfig). Im Inneren des Käfigs finden wir keine Ladung, denn die Ladung hat sich auf der Oberfläche des Käfigs verteilt.

Am Beispiel des Faraday Käfigs haben wir gesehen, dasss sich die Ladung gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Was passiert aber bei unregelmäßig geformten Körpern?

In diesem Fall kommt es zu keiner gleichmäßig Ladungverteilung mehr. Die Ladung verteilt sich (gemäß den physikalischen Gestezen) auf der Oberfläche, so dass das elektrische Feld im Inneren verschwindet und auf der Oberfläche überall die gleiche Spannung herrscht.

Dieses Prinzip hatten wir bereits kennengelernt: die Feldstärken eines gekrümmten Leiters verhalten sich indirekt proportional wie die Radien der Krümmung. Die Feldstärke an einer Spitze oder Kante (an einem metallischen Leiter) kann sogar ausreichen dass ein Elektron den Leiter verlassen kann. Dieser Effekt wird als Spitzeneffekt bezeichnet und wird beispielsweise bei der Elektronenmikroskopie verwendet.