zum Directory-modus

Das elektrische Feld in Materie

Metalle im elektrischen Feld

Ein metallischer Körper verfügt in seinem Inneren über frei bewegliche Ladungsträger. Es handelt sich dabei um Elektronen, die sich frei zwischen den ortsfesten, positiv geladenen Atomrümpfen des Metallgitters bewegen können. Ist der Körper elektrisch neutral, dann besitzt die negative Ladung der Elektronen denselben Betrag, wie die positive Ladung der Atomrümpfe.

Da die Elektronen sich im Metall jedoch frei bewegen können, während die Atomrümpfe an ihre Orte gebunden sind, kann es innerhalb des Körpers zu einer makroskopischen, inhomogenen Ladungsverteilung kommen. Eine inhomogene Verteilung der Elektronen im Metall tritt nur durch einen äußeren Zwang – wie ein elektrisches Feld - auf.

Als Beispiel betrachten wir einen Metallklotz im Feld einer positiven Punktladung. Das ursprüngliche Feld (ohne Klotz) ist also das bereits bekannte Radialfeld.

Abb.1

Radialfeld der Punktladung mit dem Bereich, wo der Metallklotz eingefügt werden wird.

Abb.2

Metallklotz im elektrischen Feld der Punktladung (Ausschnitt mit einer Feldlinie) und Kräftebetrachtung an einem Elektron im Metall.

Ein Elektron im Metall erfährt von der äußeren, positiven Punktladung eine anziehende Kraft. Bei einer anfänglich homogenen Ladungsverteilung im Metall hat diese Kraft in der Regel eine Komponente senkrecht und eine Komponente parallel zur Metalloberfläche.

Die senkrechte Kraftkomponente versucht, das Elektron aus dem Metall herauszuziehen. Dies gelingt jedoch nur bei sehr hohen Feldstärken. Wir wollen hier nur den Fall betrachten, dass die Elektronen im Metall gebunden bleiben. Die senkrechte Kraftkomponente hat zur Folge, dass sich die Elektronen an der Metalloberfläche verteilen.

Die tangentiale Kraftkomponente zieht an dem Elektron parallel zur Metalloberfläche. In dieser Richtung ist das Elektron frei beweglich. Es wird sich daher so lange entlang der Oberfläche bewegen, bis die parallele Kraftkomponente verschwindet, d.h., bis die auf das Elektron wirkende Gesamtkraft senkrecht auf der Metalloberfläche steht.

Zusätzlich ist nun zu berücksichtigen, dass sich im Metall viele Elektronen gegenseitig abstoßen. In der Kräftebilanz muss also nicht nur die Kraft der außen liegenden Punktladung berücksichtigt werden, die auf ein einzelnes Elektron im Metall wirkt, sondern auch die Kräfte aller anderen Elektronen sowie der Atomrümpfe im Metall. Es bleibt jedoch dabei, dass sich das Elektron solange parallel zur Oberfläche verschieben wird, bis die Parallelkomponente der Gesamtkraft, die auf das Elektron wirkt, wie oben beschrieben verschwindet.

Die so entstandene inhomogene Ladungsverteilung an der Metalloberfläche leistet nun ihrerseits einen Beitrag zum elektrischen Feld, so dass dieses nicht mehr radial zur Punktladung gerichtet ist. Vielmehr werden die Feldlinien in der Nähe des Metallklotzes so verbogen, dass sie senkrecht zu seiner Oberfläche stehen, denn die Feldlinien geben ja an jedem Punkt die Richtung der auf eine Ladung (hier ein Elektron im Metall) wirkenden Kraft an.

Abb.3

Metallklotz im Feld der Punktladung. Die Feldlinien werden in der Nähe des Metalls so verbogen, dass sie senkrecht auf dessen Oberfläche stehen. Hinter dem Metall ist das Feld weitgehend abgeschirmt.

Influenz
Den Vorgang der Ladungsverschiebung im Metall aufgrund eines elektrischen Feldes nennt man Influenz.

Da die Feldlinien alle senkrecht auf der Metalloberfläche enden, ist diese eine Äquipotenzialfläche. Da außerdem die beweglichen Ladungsträger im Inneren an die Oberfläche gewandert sind, gibt es innerhalb des Metallklotzes keine Potenzialunterschiede. Somit ist das Innere jedes Metallkörpers feldfrei.

Feldverhalten von Metall
Die elektrischen Feldlinien stehen stets senkrecht auf der Oberfläche von Metallkörpern. Das Innere eines Metallkörpers ist feldfrei.

Faraday'scher Käfig

Es ist leicht einzusehen, dass sich an der Feldfreiheit im Metallkörper nichts ändert, wenn der Körper innen hohl ist. Selbst wenn die Oberfläche durchlöchert wird (z.B. Körper aus feinem Drahtzaun), ist der Innenraum noch weitgehend feldfrei. Das zeigen die folgenden Bilder, die mit einem Simulationsprogramm berechnet wurden. Man spricht dann auch von einem Faraday'schen Käfig.

Abb.4

Feldfreie Bereiche sind dunkelblau eingefärbt. Ein Metallklotz ist innen feldfrei ...

Abb.5

... ebenso ein hohler Metallklotz.

Abb.6

Ein Körper aus Maschendrahtzaun ist im Inneren ebenfalls noch weitgehend feldfrei.

Seite 2 von 3