Feldmühle

Eine Feldmühle dient zur Messung der elektrischen Feldstärke E. Was versteht man unter der elektrischen Feldstärke? Nun, auf elektrische Ladungen q wirkt in einem elektrischen Feld eine Kraft. Zum Beispiel wirkt zwischen 2 Punktladungen Q1 und Q2 im Abstand r nach dem sog. Coulombgesetz folgende Kraft:

Die Kraft ist wie man auch gut nachvollziehen kann proportional zu 1/r² und zu den beiden Ladungen Q1 und Q2. Bringt man also eine doppelt so große Ladung Q2 in einen bestimmten Abstand zu Q1 (diese Ladung denkt man sich an einer bestimmten Stelle fixiert), so spürt diese Ladung nun die doppelte Kraft F. Die Kraftwirkung auf die Ladung Q2 ist also direkt proportional zu Q2. Um jetzt die Kraftwirkung der Ladung Q1 möglichst einfach beschreiben zu können, ist es also ausreichend die Kraft auf die Ladung 1 zu kennen. Kennt man diese auf die Normladung Q2 = 1 wirkende Kraft, so kann man ganz einfach auf andere Ladungen Q2 umrechnen. Man muss die Kraft auf die Ladung 1 nur mit der Ladung Q2 multiplizieren.

Und genau diese Kraft auf die Ladung Q2 = 1 nennt man elektrische Feldstärke E. Wie kommt man von der Kraft F zur Feldstärke E? Nun, man setzt in die Formel für die Kraft einfach Q2 = 1 oder anders ausgedrückt, man dividiert die Kraft F durch die Ladung Q2. Dadurch erfolgt auch die Normierung auf die Ladung Q2 = 1. Es ergibt sich also für eine Punktladung Q1 folgende Feldstärke in ihrer Umgebung:

Die elektrische Feldstärke einer Punktladung hängt also (logischerweise) von der Ladung Q1 der Punktladung selbst ab und nimmt mit 1/r² ab.

Die elektrische Feldstärke wird mit sog. Feldlinien dargestellt. Dabei zeigt die Orientierung der Feldlinien die Richtung der Kraft an und die Feldliniendichte zeigt die Größe der Feldstärke an. Dichte Linien bedeuten also eine hohe Feldstärke und umgekehrt. Bei der Punktladung sehen die Feldlinien wiefolgt aus:

Nahe zur Punktladung ist die Liniendichte und damit die Größe der Feldstärke höher als in größerer Entfernung. Die Feldlinien zeigen zudem bei positiver Punktladung Q1 alle von dieser weg.

Man unterscheidet folgende 2 Feldtypen:

Bei einem homogenen elektrischen Feld ist also die Feldstärke überall gleich, sowohl was ihre Richtung als auch ihre Größe betrifft. Bei einem inhomogenen Feld (wie zum Beispiel bei jenem der Punktladung) ist dies nicht der Fall.

Mit einer sog. Feldmühle lässt sich nun genau diese elektrische Feldstärke E, welche laut Definition E = F/Q die Einheit Newton/C oder auch Volt/m besitzt, messen.

Hier findet man detaillierte Informationen zum Bau und Betrieb der Feldmühle: http://www.hcrs.at/FELDMU.HTM

Den kleinen Elektromotor betreibe ich mit einer einstellbaren Spannung, wobei hier der Spannungsregler LM317 zum Einsatz kommt:

 

Eichen lässt sich die Feldmühle zum Beispiel mit der elektrischen Feldstärke zwischen zwei Kondensatorplatten. Für diese gilt: E = U / d mit der an den Platten anliegenden Spannung U und dem Plattenabstand d. Man berechnet also mit U und d die wirkenden Feldstärke E und trägt die Ausgangsspannung der Feldmühle gegen E auf. Wie man sieht, erhält man für E < 2000 V/m einen schön linearen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Feldstärke.