Elektrisches Feld zwischen zwei Platten (für Anfänger erklärt)

Entdecken Sie in diesem aufschlussreichen Artikel, wie das Gaußsche Gesetz angewendet wird, um das elektrische Feld zwischen zwei Platten zu berechnen, und verstehen Sie die Funktionsweise des elektrischen Feldes eines Kondensators. Tauchen Sie ein in die physikalischen Prinzipien und erweitern Sie Ihr Verständnis anhand klarer, praktischer Beispiele.

Das elektrische Feld zwischen zwei Platten:

Das elektrisches Feld ist eine elektrische Eigenschaft, die mit jeder Ladung im Weltraum verbunden ist. Somit ist das elektrische Feld jede physikalische Größe, die an verschiedenen Punkten in einem gegebenen Raum unterschiedliche Werte der elektrischen Kraft annimmt.

Ein elektrisches Feld ist ein Bereich oder eine Region, in der jeder Punkt eine elektrische Kraft erfährt.

Elektrische Felder lassen sich allgemein als elektrische Kraft pro Ladungseinheit beschreiben.

Für eine unendliche Ebene mit einer gleichmäßigen Ladung pro Flächeneinheit, bezeichnet mit (Sigma), das elektrische Feld (E) kann mathematisch ausgedrückt werden als:

In diesem Ausdruck:

• stellt die Oberflächenladungsdichte (Ladung pro Flächeneinheit) dar.
• ist die Permittivität des freien Raums.
• entsteht, weil das elektrische Feld in zwei entgegengesetzten Richtungen von der Ebene erzeugt wird.

Schauen wir uns das elektrische Feld an, wenn zwei geladene Platten beteiligt sind.

Zwischen zwei geladenen Platten besteht ein gleichmäßiges elektrisches Feld:

Nach dem Coulomb-Gesetz nimmt das elektrische Feld um eine Punktladung mit zunehmender Entfernung ab. Ein homogenes elektrisches Feld kann jedoch erzeugt werden, indem zwei unendlich große leitende Platten parallel zueinander ausgerichtet werden.

Wenn an jedem Punkt in einem gegebenen Raum die Größe des elektrischen Feldvektors konstant bleibt, dann wird das elektrische Feld als gleichmäßiges elektrisches Feld beschrieben. Diese Bedingung wird mathematisch dargestellt als , Wobei bezeichnet die Größe des elektrischen Feldes.

Die Feldlinien eines gleichförmigen elektrischen Feldes neigen dazu, parallel zueinander zu sein, und der Abstand zwischen ihnen ist ebenfalls gleich.

Parallele Feldlinien und ein gleichmäßiges elektrisches Feld zwischen zwei parallelen Platten sorgen für die gleiche Anziehungs- und Abstoßungskraft auf die Testladung, egal wo sie sich im Feld befindet.

Feldlinien werden immer von Bereichen mit hohem Potential zu Bereichen mit niedrigem Potential gezogen.

Die Richtung eines elektrischen Feldes zwischen zwei Platten:

Das elektrische Feld wandert von einer positiv geladenen Platte zu einer negativ geladenen Platte.

Angenommen, die obere Platte ist positiv und die untere Platte negativ, dann wird die Richtung des elektrischen Felds wie in der folgenden Abbildung gezeigt angegeben.

Positive und negative Ladungen spüren die Kraft unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, aber ihre Richtung hängt von der Ladungsart, egal ob positiv oder negativ. Positive Ladungen spüren Kräfte in Richtung des elektrischen Feldes, während negative Ladungen Kräfte in die entgegengesetzte Richtung spüren.

Das elektrische Feld zwischen zwei parallelen Platten gleicher Ladung:

Angenommen, wir haben zwei unendliche Platten, die parallel zueinander sind und eine positive Ladungsdichte ර haben. Hier berechnen wir nun das elektrische Nettofeld aufgrund dieser beiden geladenen parallelen Platten.

In der Mitte der beiden Platten stehen sich die beiden elektrischen Felder gegenüber. Als Ergebnis heben sie sich gegenseitig auf, was zu einem elektrischen Nettofeld von Null führt.

Ein = 0

Beide elektrischen Felder zeigen außerhalb der Platten in die gleiche Richtung, also links und rechts. Somit ist seine Vektorsumme &agr;/&sub0;XNUMX.

Eaus = E1 + E2

Das elektrische Feld zwischen zwei parallelen Platten entgegengesetzter Ladung:

Angenommen, wir haben zwei Platten mit der Ladungsdichte +σ und -σ . Der Abstand d trennt diese beiden Platten.

Eine Platte mit positiver Ladungsdichte erzeugt ein elektrisches Feld von . Und die Richtung davon ist nach außen oder von der Platte weg, während die Platte mit negativer Ladungsdichte eine entgegengesetzte Richtung hat, also nach innen gerichtet.

Wenn wir also das Superpositionsprinzip auf beiden Seiten der Platten außerhalb und innerhalb der Platten anwenden, können wir sehen, dass außerhalb der Platte beide elektrischen Feldvektoren die gleiche Größe und entgegengesetzte Richtung haben und sich somit beide elektrischen Felder gegenseitig aufheben . So, Außerhalb der Platten gibt es kein elektrisches Feld.

Eaus=0

Da sie sich gegenseitig in die gleiche Richtung verstärken, beträgt das elektrische Nettofeld zwischen den beiden Platten .

Eim = E1 + E2

Dies ist die Tatsache, die wir verwenden, um einen Parallelplattenkondensator zu bilden.

Das elektrische Feld zwischen zwei Platten bei gegebener Spannung: 

In der Physik wird zur Beschreibung einer Ladungsverteilung entweder die Potentialdifferenz ΓV oder das elektrische Feld E verwendet. Der Potentialunterschied ist eng mit der Energie verbunden. während elektrisches Feld E hängt mit der Kraft zusammen.

E ist eine Vektorgröße, was bedeutet, dass sie sowohl Größe als auch Richtung hat ist eine skalare Variable ohne Richtung.

Wenn zwischen zwei parallel zueinander liegenden leitenden Platten eine Spannung angelegt wird, entsteht ein gleichmäßiges elektrisches Feld.

Die Stärke des elektrischen Feldes ist direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen zwei Platten.

Das elektrische Feld zwischen zwei parallelen Plattenkondensatoren: 

Paralleler Plattenkondensator:

Ein Plattenkondensator besteht aus zwei leitenden Metallplatten, die parallel geschaltet und um einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Ein dielektrisches Medium füllt die Lücke zwischen den beiden Platten.

Das dielektrische Medium ist ein isolierendes Material und kann Luft, Vakuum oder einige nichtleitende Materialien wie Glimmer, Glas, Elektrolytgel, Papierwolle usw. sein. Das dielektrische Material verhindert aufgrund seiner nicht leitenden Eigenschaften den Stromdurchfluss.

Wenn jedoch Spannung an die parallelen Platten angelegt wird, polarisieren die Atome des dielektrischen Mediums unter der Wirkung des elektrischen Felds. Der Polarisationsprozess bildet Dipole, und diese positiven und negativen Ladungen sammeln sich auf den Platten des Parallelplattenkondensators an. Ein Strom fließt durch den Kondensator, während sich die Ladungen ansammeln, bis die Potentialdifferenz zwischen zwei parallelen Platten das Quellenpotential ausgleicht.

Bei Parallelplattenkondensatoren darf die elektrische Feldstärke des Kondensators die Durchschlagsfeldstärke des dielektrischen Materials nicht überschreiten. Wenn die Betriebsspannung des Kondensators ihren Grenzwert überschreitet, verursacht der dielektrische Durchschlag einen Kurzschluss zwischen den Platten, der den Kondensator sofort zerstört.

Um den Kondensator vor einer solchen Situation zu schützen, sollte man daher die angelegte Spannungsgrenze nicht überschreiten und den Bereich der Spannungskondensatoren wählen.

Das elektrische Feld zwischen parallelen Plattenkondensatoren:

Die folgende Abbildung zeigt den Parallelplattenkondensator.

In diesem Fall nehmen wir zwei große leitende Platten parallel zueinander und trennen sie durch d. Der Spalt wird mit dielektrischem Medium gefüllt, wie in der Abbildung gezeigt. Der Abstand d zwischen zwei Platten ist deutlich kleiner als die Fläche jeder Platte. Daher können wir d< . schreiben

Hier beträgt die Ladungsdichte der ersten Platte und die Ladungsdichte der zweiten Platte ist . Platte 1 trägt eine Gesamtladung (Q), und Platte 2 hat eine Gesamtladung (-Q).

Wie bereits beobachtet, ist das elektrische Feld im äußeren Bereich Null, wenn zwei parallele Platten mit entgegengesetzter Ladungsverteilung nahe beieinander platziert werden.

Folglich kann das elektrische Nettofeld in der Mitte des Parallelplattenkondensators wie folgt berechnet werden:

E = E_1 + E_2

Wo:

• ist die Oberflächenladungsdichte der Platte.
• ist die Permittivität des in den Kondensatoren verwendeten dielektrischen Materials.

Aus der obigen Gleichung können wir sagen, dass Das dielektrische Medium verursacht eine Abnahme der elektrischen Feldstärke, wird jedoch verwendet, um eine höhere Kapazität zu erreichen und den Kontakt der leitenden Platten aufrechtzuerhalten.

Die Stärke des elektrischen Feldes zwischen zwei geladenen Platten:

Betrachtet man zwei unendlich große Platten, wird keine Spannung zugeführt, so muss die elektrische Feldstärke nach dem Gaußschen Gesetz konstant sein. Aber das elektrische Feld zwischen zwei Platten hängt, wie bereits erwähnt, von der Ladungsdichte der Platten ab.

Daher sind haben zwei Platten die gleiche Ladungsdichte, dann ist das elektrische Feld zwischen ihnen Null, und bei entgegengesetzten Ladungsdichten ist das elektrische Feld zwischen zwei Platten durch den konstanten Wert gegeben.

Wenn den geladenen Platten eine Spannung gegeben wird, wird die Stärke des elektrischen Feldes durch die Potentialdifferenz zwischen ihnen bestimmt. Eine höhere Potentialdifferenz erzeugt ein starkes elektrisches Feld, während ein größerer Abstand zwischen den Platten zum schwachen elektrischen Feld führt.

Plattenabstand und Potentialdifferenz sind also die wesentlichen Faktoren für die elektrische Feldstärke.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist das elektrische Feld zwischen parallelen Platten gleichmäßig?

Das elektrische Feld zwischen parallelen Platten ist gleichmäßig, da die Platten unendlich groß sind und die Ladungen gleichmäßig auf den Platten verteilt sind. Das führt zu ein konstantes elektrisches Feld die von der positiv geladenen Platte zur negativ geladenen Platte gerichtet ist. Der Feldlinien sind gerade und parallel und zeigen an ein einheitliches Feld.

Wie groß ist das elektrische Feld zwischen zwei parallelen Platten?

Das elektrische Feld (E) zwischen zwei parallelen Platten ist gegeben durch die Formulan E = V/d, wobei V die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist. Dieses Feld wird von der positiven Platte zur negativen Platte geleitet.

Wie wirkt sich die Ladungsverteilung auf das elektrische Feld zwischen zwei Platten aus?

Die Ladung Die Verteilung auf den Platten beeinflusst das elektrische Feld zwischen ihnen. Bei gleichmäßiger Ladungsverteilung ist das Feld gleichmäßig und konstant. Wenn die Ladungen jedoch nicht gleichmäßig verteilt sind, variiert das Feld der Raum zwischen den Platten.

Wie beeinflusst ein dielektrisches Material das elektrische Feld zwischen zwei Platten eines Kondensators?

Wenn ein dielektrisches Material zwischen die Platten eines Kondensators eingebracht wird, verringert es das elektrische Feld zwischen den Platten. Das ist weil das Dielektrikum Material polarisiert als Reaktion auf das Feld und erschafft ein gegnerisches Feld das reduziert die Gesamtfeldstärke.

Wie berechnet man das elektrische Feld zwischen zwei Platten?

Das elektrische Feld (E) zwischen zwei Platten kann mit berechnet werden die Formulan E = V/d, wobei V die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist.

Welche Beziehung besteht zwischen elektrischem Feld und Spannung in einem Parallelplattenkondensator?

In einem Parallelplattenkondensator ist das elektrische Feld (E) direkt proportional zu die Spannung (V) und umgekehrt proportional zum Abstand (d) zwischen den Platten. Diese Beziehung ist gegeben durch die Formulan E = V/d.

Wie wirkt sich der Plattenabstand auf das elektrische Feld in einem Parallelplattenkondensator aus?

Das elektrische Feld in einem Parallelplattenkondensator ist umgekehrt proportional zum Plattentrennung. Mit zunehmendem Abstand (d) zwischen den Platten nimmt das elektrische Feld (E) ab und umgekehrt.

Welche Rolle spielt das Gaußsche Gesetz bei der Bestimmung des elektrischen Feldes zwischen zwei Platten?

Mit dem Gaußschen Gesetz lässt sich das elektrische Feld zwischen zwei Platten durch Berücksichtigung bestimmen eine Gaußsche Oberfläche zwischen den Platten. Nach dem Gaußschen Gesetz ist der elektrische Fluss durch diese Oberfläche ist gleich der darin eingeschlossenen Ladung dividiert durch die Permittivität des freien Raums.

Wie wirkt sich das Vorhandensein eines dielektrischen Materials auf die Kapazität eines Parallelplattenkondensators aus?

Das Vorhandensein eines dielektrischen Materials erhöht die Kapazität eines Parallelplattenkondensators. Das ist weil das Dielektrikum reduziert das elektrische Feld zwischen den Platten und ermöglicht so mehr Ladung gespeichert werden eine bestimmte Spannung.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem elektrischen Feld und der Ladung auf einer Kondensatorplatte?

Das elektrische Feld (E) zwischen den Platten eines Kondensators ist direkt proportional zur Ladung (Q) auf den Platten und umgekehrt proportional zur Permittivität des Mediums (ε) zwischen den Platten. Diese Beziehung ist gegeben durch die Formulan E = Q/(A*ε), wobei A die Fläche einer der Platten ist.

Q. Wie unterscheidet sich das elektrische Feld zwischen parallelen Platten vom elektrischen Feld um eine geladene Kugel?

Antwort Die elektrischen Felder zwischen parallelen Platten und um eine geladene Kugel sind nicht gleich. Mal sehen, wie sie variieren.

Das elektrische Feld zwischen parallelen Platten hängt von der Ladungsdichte der Platten ab. Wenn sie entgegengesetzt geladen sind, ist das Feld zwischen den Platten ර/ε0, und wenn sie Ladungen haben, ist das Feld zwischen ihnen Null.

Außerhalb der geladenen Kugel ist das elektrische Feld gegeben, während das Feld innerhalb der Kugel Null ist. In diesem Fall stellt r den Abstand zwischen einem Punkt und dem Mittelpunkt dar.

F. Was passiert mit dem elektrischen Feld und der Spannung, wenn der Abstand zwischen den Platten des Kondensators verdoppelt wird?

Antwort E=ර/ε0 bestimmt das elektrische Feld zwischen parallelen Plattenkondensatoren nach dem Gaußschen Gesetz.

Nach dem Gaußschen Gesetz bleibt das elektrische Feld konstant, da es unabhängig vom Abstand zweier Kondensatorplatten ist. Wenn wir über die Potenzialdifferenz sprechen, ist sie direkt proportional zum Abstand zwischen zwei Platten eines Kondensators und wird durch

Wenn also der Abstand verdoppelt wird, nimmt auch die Potentialdifferenz zu.

F. Wie berechne ich das elektrische Feld in einem Parallelplattenkondensator?

Antwort Bei parallelen Plattenkondensatoren sind beide Platten entgegengesetzt geladen. Dadurch wird das elektrische Feld außerhalb der Platten aufgehoben.

Beide Platten sind gegensätzlich geladen, und daher wird sich das Feld zwischen den Platten gegenseitig unterstützen. Darüber hinaus ist zwischen zwei Platten ein dielektrisches Medium vorhanden, so dass die Permittivität des Dielektrikums ebenfalls ein wesentlicher Faktor ist.

Das Gaußsche Gesetz und das Konzept der Superposition werden verwendet, um das elektrische Feld zwischen zwei Platten zu berechnen.

                            E = E1 + E2

                                =

                                =

Wobei ර die Oberflächenladungsdichte ist

            ε ist die Permittivität des dielektrischen Materials.

Q. Warum nimmt das elektrische Feld zwischen den Platten von Kondensatoren ab, wenn eine dielektrische Platte eingebracht wird? Erklären Sie mit Hilfe eines Diagramms.

Antwort Wenn ein dielektrisches Material zwischen parallelen Platten des Kondensators unter einem externen elektrischen Feld platziert wird, polarisieren die Atome des dielektrischen Materials.

Ladungsakkumulation auf Kondensatorplatten wird durch induzierte Ladung im dielektrischen Material verursacht. Wie in der Abbildung unten gezeigt, verursacht diese Ladungsakkumulation ein elektrisches Feld zwischen zwei Platten, die dem externen elektrischen Feld widerstehen.

Die obige Abbildung zeigt die dielektrische Platte zwischen zwei Kondensatorplatten, da die dielektrische Platte das entgegengesetzte elektrische Feld induziert; daher wird das elektrische Nettofeld zwischen den Kondensatorplatten verringert.

Q. Zwei identische Metallplatten erhalten eine positive Ladung Q1 bzw. Q2. Werden sie zum Parallelplattenkondensator mit der Kapazität C zusammengeführt, beträgt die Potentialdifferenz zwischen ihnen ……..

Antwort Die Kapazität eines Plattenkondensators, der aus zwei identischen Metallplatten besteht, berechnet sich wie folgt:

Wobei C die Kapazität des Parallelplattenkondensators ist

A ist die Fläche jeder Platte

d ist der Abstand zwischen parallelen Platten

Nehmen wir an, die Oberflächenladungsdichte ist                        

Nun kann das elektrische Nettofeld gegeben werden durch

Die Potentialdifferenz wird dargestellt durch,

Wenn wir also die obigen Werte in diese Gleichung einsetzen, erhalten wir eine Potenzialdifferenz

F. Was passiert, wenn ein dielektrisches Material zwischen parallele Platten des Kondensators eingebracht wird?

Antwort Elektrisches Feld, Spannung und Kapazität ändern sich, wenn wir dielektrisches Material zwischen parallele Platten des Kondensators einführen.

Das elektrische Feld fällt ab, wenn ein dielektrisches Material zwischen parallele Platten eines Kondensators aufgrund von Ladungsakkumulation auf den parallelen Platten eingebracht wird, was ein elektrisches Feld in der entgegengesetzten Richtung des äußeren Felds erzeugt.

Das elektrische Feld ist gegeben durch 

Elektrisches Feld und Spannung sind proportional zueinander; somit sinkt auch die Spannung.

Andererseits erhöht sich die Kapazität des Kondensators, da sie proportional zur Permittivität des dielektrischen Materials ist.

F. Existiert zwischen den Platten eines Kondensators ein Magnetfeld?

Antwort Magnetische Felder existieren zwischen zwei Platten nur, wenn sich das elektrische Feld zwischen zwei Platten ändert.

Wenn also ein Kondensator geladen oder entladen wird, ändert sich das elektrische Feld zwischen zwei Platten, und nur zu diesem Zeitpunkt existiert ein magnetisches Feld.

F. Was passiert, wenn ein hohes elektrisches Feld in einem sehr kleinen Raumbereich gespeichert wird? Gibt es eine Kapazitätsgrenze?

Antwort Kondensatoren sind elektrische Geräte, die ein anhaltendes elektrisches Feld verwenden, um elektrische Ladungen zu speichern, elektrische Energie. Zwischen den Platten des Kondensators liegt das dielektrische Material.

Wenn das angelegte externe elektrische Feld die Durchschlagsfeldstärke des dielektrischen Materials überschreitet, wird das isolierende dielektrische Material leitfähig. Ein elektrischer Durchschlag führt zum Funken zwischen zwei Platten, der den Kondensator zerstört.

Jeder Kondensator hat eine unterschiedliche Kapazität basierend auf dem verwendeten dielektrischen Material, der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen.

Die Toleranz des Kondensators liegt irgendwo zwischen bis zu seinem angegebenen Wert.

F. Was sind die Anwendungen des Gaußschen Gesetzes?

Antwort Das Gaußsche Gesetz hat verschiedene Anwendungen.

In einigen Fällen erfordert die Berechnung elektrischer Felder eine schwierige Integration und wird ziemlich komplex. Wir verwenden das Gaußsche Gesetz, um die Auswertung elektrischer Felder ohne komplexe Integration zu vereinfachen.

• Das elektrische Feld im Abstand r bei einem unendlich langen Draht ist E= ?/2?ε0

Bei dem die ? ist die lineare Ladungsdichte von Draht.

• Die elektrische Feldstärke der nahezu unendlichen ebenen Schicht beträgt E=ර/2ε0
• Die elektrische Feldstärke am äußeren Bereich der Kugelschale beträgt   und E=0 innerhalb der Schale.
• Die Stärke des elektrischen Feldes zwischen zwei parallelen Platten E=ර/ε0, wenn sich das dielektrische Medium zwischen zwei Platten befindet, dann ist E=ර/ε.

F. Die Formel für eine Parallelplattenkapazität lautet:

Antwort Durch Aufrechterhaltung des elektrischen Feldes werden Kondensatoren verwendet, um elektrische Ladungen in elektrischer Energie zu speichern.

Wenn die Platten durch Luft oder Raum getrennt sind, lautet die Formel für einen Parallelplattenkondensator:

, wobei C die Kapazität des Kondensators ist.

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Alpa P. Rajai

Ich bin Alpa Rajai und habe meinen Master in Naturwissenschaften mit Spezialisierung auf Physik abgeschlossen. Ich bin sehr begeistert davon, über mein Verständnis von fortgeschrittener Wissenschaft zu schreiben. Ich versichere, dass meine Worte und Methoden den Lesern helfen werden, ihre Zweifel zu verstehen und klarzustellen, wonach sie suchen. Abgesehen von der Physik bin ich ausgebildete Kathak-Tänzerin und schreibe meine Gefühle manchmal auch in Form von Gedichten auf. Ich aktualisiere mich ständig in Physik und was auch immer ich verstehe, ich vereinfache es und halte es auf den Punkt, damit es den Lesern klar vermittelt wird.