Wie gross ist das elektrische Feld, wenn mehr als zwei Ladungen beteiltigt sind?

Liebe/-r Experte/-in,

Ich besuche eine Maturitätsschule. Wir haben letztlich eine Arbeit über die Elektrostatik geschrieben.

Eine Aufgabe lautete:

In jeder Exke eines Quadrates der Seitenlänge 20 cm befindet sich eine Ladung. Oben links sind +3nC, oben rechts +6nC und unten links +9nC und unten rechts -12nC.
Berechnen Sie die elektrische Feldstärke im Zentrum des Quadrates.

(E=F/q, Radius r=20cm/(2^0.5)=0.1414m)

Meine Fragen an Sie:

  • Stimmt das Resultat 6890 N/C ?
  • Spielt es für die elektr. Feldstärke eine Rolle, ob die Ladung unten rechts einen negatives (-12nC) oder ein positives Vorzeiechen (+12nC) hat?

Besten Dank für Ihre Antwort.

Freundliche Grüsse

Carpediem

Hallo Carpediem,

das elektrische Feld ist ein Vektorfeld, d.h. das elektrische Feld hat eine Stärke und eine Richtung.

Das elektrische Feld einer Punktladung zeigt radial von der Ladung weg (bei positver Ladung) bzw. zur Ladung hin (bei negativer Ladung). Die Stärke nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab,
E = Q /(4 pi eps_0 r^2) (Coulombsches Gesetz).

Soweit ist Dir das sicher bekannt.
Sind nun mehrere Punktladungen im Spiel, so erzeugt jede ihr eigenes radiales E-Feld nach dem Coulombgesetz, und diese Felder müssen dann ALS VEKTOREN addiert werden. In der Aufgabe mit den vier Ladungen hast Du also in der Mitte des Quadrates vier Vektorpfeile, die einen Gesamtvektor ergeben.

Den Umgang mit Vektoren kannst Du in Büchern nachlesen, wenn Dir das nicht klar ist.

Das Vorzeichen der Ladungen ist dabei wichtig, da der Vektorpfeil ja abhängig davon in die eine oder die entgegengesetzte Richtung zeigt.

Nachgerechnet habe ich die Aufagbe jetzt nicht.

Viel Erfolg,
viele Grüße…

Hallo!

[…]

In jeder Exke eines Quadrates der Seitenlänge 20 cm befindet
sich eine Ladung. Oben links sind +3nC, oben rechts +6nC und
unten links +9nC und unten rechts -12nC.
Berechnen Sie die elektrische Feldstärke im Zentrum des
Quadrates.

(E=F/q, Radius r=20cm/(2^0.5)=0.1414m)

Meine Fragen an Sie:

  • Stimmt das Resultat 6890 N/C ?

Ich komme auch (bei Rundung auf drei geltende Ziffern) auf diese Zahl. Dabei nehme ich an, dass nicht nach der Feldstärke (einer vektoriellen Größe) sondern nach ihrem Betrag gefragt ist.

  • Spielt es für die elektr. Feldstärke eine Rolle, ob die
    Ladung unten rechts einen negatives (-12nC) oder ein positives
    Vorzeiechen (+12nC) hat?

Die Frage müsste sich eigentlich erübrigen, wenn man das elektrische Feld ausrechnen kann. Ich würde die negative Ladung gleich mit der oben-links-Ladung auf +15nC oben links zusammenrechnen. Analog wäre oben rechts (6-9=-3)nC, also 1/5 des Betrages der dazu senkrechten Komponente.

Beste Grüße
Christoph

Hallo Carpediem,

ich komme auch auf Dein Ergebnis. Ich habe allerdings mit voller Stellenzahl gerechnet, auch bei den Konstanten (TI 92plus) daher wohl Abweichung durch Rundungen, mein Ergebnis: 6874.16 N/C.

Mit +12 C komme ich auf 4263.17 N/C.

Da sich die Richtung des Kraftvektors umkehrt, ist die Polarität der Ladung wichtig.

Ich hoffe es hilft Dir.

Gruß Volker

Hi lieber „Nutze den Tag“ :smile:
die Frage klingt viel einfacher, als sie in Wirklichkeit ist!! Warum?? Nun ja, sie verlangt eine Menge Wissen, was in der formalen Fragestellung gar nicht so zu Tage tritt !!
Hier nun also meine Antwort! :smile:

#1 Als erstes muss man bedenken, dass es sich bei der „Feldstärke“ um eine richtungsabhängige Größe, also einen Vektor, keine skalare Größe, handelt!

#2 Hier war der Aufgabensteller nett, weil er etwas Überschauliches als Basis gewählt hat! :smile: nämlich dieses Quadrat. Ja, die Geschichte ist natürlich dreidimensional, aber, dank dem Aufgabensteller, können wir es in einer Ebene abhandeln. :smile:

#3 Eine Deiner Fragen vorgezogen: das Vorzeichen ist eminent wichtig!! Also, dieses etwaige Umkehren - völlig andere Ergebnisse. Uff!!

#4 gehen wir nun in medias res! (Muss ich schon so schreiben, lieber carpediem!) :smile:
Der Punkt, in dem die resultierende Feldstärke gewünscht wird, ist der Mittelpunkt. Das gibt uns Erleichterung und Hilfe !! Nämlich, da sich "links oben und rechts unten " bzw. „Rechts oben und links unten“ quasi direkt gegenüber liegen, uff, da können wir die beiden jeweils getrennt behandeln und deren Werte addieren / abziehen - je eben nach Ladungsvorzeichen!!

#5 mag sein, dass ich Dich damit nerve, aber, falls das noch jemand anders liest, hier Griff in die Schublade. :frowning:
Wie ist doch gleich die Feldstärke an sich definiert?? Die Formel (für eine Punktladung) lautet:
E (Feldstärke, Betrag) = 1/(4*Pi*Epsilon-Null)*q (die Ladung eben)/ r² (r= Abstand der Ladung vom Aufpunkt, wo wir es wissen wollen). Uff! Formeln lassen sich in diesem Format nicht so wie gewohnt darstellen, aber so sollte es doch verständlich sein!! :smile:

#6 wenn wir mal „oben & rechts“ - normales kartesisches Koordinaten System - als „positiv“ ansehen, dann ergäbe sich:

#7 Ladungen rechts oben und links unten - deren Feldstärken liegen in der gleichen Richtung - ergeben:
E1 = 1/(4*Pi*Epsilon-Null)*((9/a²-6/a²)*nC = +
1/(4*Pi*Epsilon-Null) * (6nC /(20cm)²)

#8 Sorry! Ich hole es nach, aber für Dich eh simpel, der Abstand von der Ecke zum Mittelpunkt des Quadrates, Herr Pythagoras lässt grüßen, Kantenlänge des Quadrates sei k, r = a = Wurzel aus (k²/2) = k/Wurzel"2" . Uff. Ausgerechnet - obwohl wir das hier noch nicht brauchen, 20 cm durch Wurzel aus 2 = 14,14213562 cm. :smile:

#9 nun entsprechend #7, aber für links oben und rechts unten - liegen wieder auf einer Geraden, ergibt sich:
E2 = 1/(4*Pi*Epsilon-Null)*((-3/a²-12/a²)*nC =
1/(4*Pi*Epsilon-Null) * (-15nC /(20cm)²) Uff!!

#10 wenn wir nun diese beiden Vektoren, E1 & E2, zeichnen, so bilden die beiden, Gott sei Dank, wieder ein rechtwinkliges Dreieck, bei dem wir unseren Freund Pythagoras zur Hilfe haben!! Hi, hi, hi, …

#11 Die resultierende Feldstärke E, von der ja nun, freundlicherweise, nur der Betrag gefordert ist, ergibt sich damit aus:
E = Wurzel aus (E1² + E2²) !! Naja, der Rest ist fast ein Kinderspiel - wenn nicht diese verdammten Einheiten wären !!!

#12 Einheiten: Was ist wohl die Einheit der Feldstärke??? Ja, bitte glauben, „Volt pro Meter“ oder „Spannung pro Länge“. Ist eben so !!

#13 Der Rest ist umsichtige, fleißige Rechnung, ja, o.k., auch hier Fehler möglich - auch bei mir, leider!! :frowning: :frowning: :frowning:

#14
Ich erhalte also:
E = Wurzel aus (E1² + E2²) =
1/(4*Pi*Epsilon-Null)*nC*Wurzel (6²+15²) / (20cm)² =
3.630,1396 V/m. Ich hoffe, dass ich mich nicht verrechnet habe, wäre Punktabzug!! :smile:

#15
Bei der Umrechnung bitte beachten: (ist aber selbstverständlich)

  • 1/(4*Pi*Epsilon-Null)= 8,988*10 Esp (-9)*Vm/As
  • 1N = 1kg*m /s²
  • 1 W = 1 A*V = 1 N*m/s

#16 Uff, das war es! Wie Du siehst, nicht ganz so simpel. Aber, wenn ich helfen kann, dann tue ich es gern. Eine Antwort von Dir, wie auch immer, wäre nett. Ja, hat auch mich altes Pferd geraume Zeit gekostet wird nicht in Rechnung gestellt!!! Hi, hi, hi…

Alles Gute weiterhin für Dich „carpediem“
wünscht Dir
Rainer

Hallo!

erst mal zur 2. Frage: ja, das Vorzeichen spielt sogar eine grosse Rolle, da es die Richtung des Feldes festlegt! Elektrische Felder sind Vektorfelder, d.h. man kann nicht einfach ihre Betraege addieren, sondern muss die Richtungen beruecksichtigen.

In dem speziellen Fall erzeugt die erste Ladung ein Feld von links oben nach rechts unten, die zweite von rechts oben nach links unten, die dritte von links unten nach rechts oben und die vierte - Achtung, Vorzeichen! - von links oben nach rechts unten (wie die erste).

Wenn man jetzt nach E= 1/(4*Pi*Eps_0) * Q/r^2 die einzelnen Feldstaerken berechnet, so ergeben sich:
E1 = 1348 V/m
E2 = 2696 V/m
E3 = 4044 V/m
E4 = -5393 V/m (mit dem - druecke ich mal die Richtung aus)

E1 und E4 zeigen in die gleiche Richtung, d.h.
E14 = |E1|+|E4| = 6741 V/m (links oben nach rechts unten)

E2 und E3 sind entgegengesetzt gerichtet, E3 ist groesser, d.h.
E23 = |E3|-|E2| = 1348 V/m (links unten nach rechts oben)

E14 und E23 schliessen einen rechten Winkel ein, also ergibt sich die Vektorsumme nach Pythagoras:
Eges = Wurzel(E14^2 + E23^2) = 6874 V/m
die Richtung ist dabei schraeg nach rechts unten (ca. 33,5 Grad gegen die Horizontale geneigt). Das erhaelt man aus dem Verhaeltnis von E14 zu E23.

Viele Gruesse,
Volker

Hallo carpediem,

die Antwort zu Punkt 1 ist ja
(ich komme auf 6874 N/C, was von der verwendeten Coulomb-Konstanten abhängt, ich fand 8,9876 10**9 Vm/As).
Beim Vorzeichenwechsel kommt eine Feldstärke von 4263 N/C heraus.

Grundlage für die Lösung ist das Coulombgesetz und das Superpositionsprinzip, d.h. die von den 4 Ladungen erzeugten Feldstärken können einfach aufaddiert werden. Man kann sich die Rechenarbeit vereinfachen, wenn man das Quadrat auf die Spitze stellt, dann haben die von den einzelnen Ladungen erzeugten Feldstärken jeweils nur eine x- bzw. y-Komponente.

Rechengang:
Sei q1 = 3 nC die Ladung links oben, q2 = 2 q1 rechts oben, q3 = 3 q1 links unten, q4 = -4 q1 rechts unten. Nach der Drehung um 45° ist q2 oben.

E = kc q / r² = a q Feldstärke, mit kc = 8,9876 10**9 Vm/C, r = 0,1 sqrt(2) m
a := kc / r² = 4,4938 10**11 V/Cm

E1x = a q1
E2y = -a q2
E3y = a q3
E4x = -a q4

Ex = a (q1 – q4)
Ey = a (-q2 + q3)

|E| = sqrt(Ex² + Ey²)
= a sqrt[(q1 – q4)² + (q3 – q2)²]
= a q1 sqrt[(1+4)² + (3-2)²]
= a q1 sqrt[26]
= 6874 N/C

q4 umpolen ==>
|E| = a q1 sqrt[(1-4)² + (3-2)²]
= a q1 sqrt[10] = 4263 N/C

Freundliche Grüße und weiterhin viel Erfolg,

[email protected]

Lieber Rainer

Ich danke dir vielmals für deine poentierte Antwort.
Ich befürchte jedoch, dass ein Fehler unterlaufen ist, da du Q1 und Q4 sowie Q2 und Q3 miteinander verrechnet hast, und somit nur die y-Vektoren gerechnet hast. Ich denke, dass man die Vektoren im Zentrum zusammenrechnen muss, so wie auch andere dies hier beschreiben. Ansonsten gefällt mir deine Antwort.

Vielen lieben Dank.

Carpediem

An alle ein herzliches Dankeschön für eure weiterhelfenden Antworten.

Somit habe ich auch folgenden Schluss ziehen können. Die elektrische Feldstärke im Zentrum auf eine Punkteladung (im Zentrum) von vier gleichen Ladungen, die sich an den vier Ecken des Quadrates befinden ist somit gleich Null, da sich die Vektoren aufheben.

Die elektrische Feldstärke ist proportional zu der Kraft die auf die Punkteladung im Zentrum des Quadrates wirkt, somit ist die Proportionalitätskonstante gleich Null.

Hallo Carpediem,

leider komme ich erst jetzt dazu, auf die Anfrage einzugehen.
Die von einer Punktladung generierte Kraft (via Feld) geht proportional mit 1/r^2, die Entfernungen zur Probeladung in der Mitte des Quadrates sind jedoch alle gleich, und somit darf ich die Vektoren! aufaddieren. (Besonders einfach wird die Skizze, wenn man das Quadrat auf eine „Ecke“ stellt…
Den Wert habe ich jetzt nicht numerisch nachgerechnet, ist das noch aktuell? Ansonsten spielt es aber selbstverständlich eine große Rolle, welches Vorzeichen die Ladung hat.

Gruß
Martin

In jeder Exke eines Quadrates der Seitenlänge 20 cm befindet
sich eine Ladung. Oben links sind +3nC, oben rechts +6nC und
unten links +9nC und unten rechts -12nC.
Berechnen Sie die elektrische Feldstärke im Zentrum des
Quadrates.

(E=F/q, Radius r=20cm/(2^0.5)=0.1414m)

Meine Fragen an Sie:

  • Stimmt das Resultat 6890 N/C ?
  • Spielt es für die elektr. Feldstärke eine Rolle, ob die
    Ladung unten rechts einen negatives (-12nC) oder ein positives
    Vorzeiechen (+12nC) hat?

Besten Dank für Ihre Antwort.

Freundliche Grüsse

Carpediem