Ladungsverteilung auf der Oberfläche eines Leiters: Beispiele

Wir sprachen über eine Stahlkugel, richtig? Einen kugelförmigen Leiter,... der mit überschüssigen Elektronen aufgeladen wurde. Diese Elektronen wurden gleichmäßig entlang der Oberfläche des Leiters verteilt. Wir verändern nun die Form des Leiters – so wie hier – zu einer Tropfenform.

Was wird mit den geladenen Teilchen passieren?... Wohin werden sie gehen? Wie du sehen kannst, drängen sie sich ziemlich am schmalen Ende. Lass uns die Form ein wenig korrigieren, um den Effekt besser zu sehen. Hmmmm...

Das Gedränge nimmt zu. Scheint als ob wir hier eine Regel aufstellen können: Je spitzer das Ende des Leiters ist, desto dichter drängen sich die Elektronen dort. Schauen wir mal genauer auf einen Querschnitt, um zu sehen, was dort geschieht. Wirf zuerst einen Blick auf diesen Teil der Oberfläche, der nicht so schmal ist. Hier ist ein Elektron.

Es kann sich nicht in das Innere des Leiters bewegen, da es von den Elektronen auf der anderen Seite abgestoßen wird. Genauso wenig kann es sich in die Luft bewegen, weil Luft ein Isolator ist. Wenn sich dieses Elektron überhaupt bewegen kann, dann entlang der Oberfläche des Leiters. Es gibt jedoch viele Elektronen, die auch auf der Oberfläche sein wollen. Und sie stoßen einander so stark wie möglich ab, um voneinander so weit weg wie möglich zu sein.

Beachte, dass die Richtung ihrer Abstoßungskraft entlang der Oberfläche des Leiters führt. Jetzt schauen wir auf dieses Elektron und untersuchen seine Situation. Auch dieses Elektron kann sich nur entlang der Oberfläche des Leiters bewegen. Hier auf dem gekrümmten Teil des Leiters gibt es jedoch einen Unterschied: Achte auf die anderen Elektronen – jene, die unser Elektron am stärksten abstoßen. Tatsächlich befinden sie sich, relativ zur Oberfläche, unterhalb unseres Elektrons, so dass ihre Abstoßungskraft vom Leiter nach außen gerichtet ist – in eine Richtung, in die sich unser Elektron nicht bewegen kann.

Und wenn ein Teil der Kraft nach außen gerichtet ist, dann gibt es weniger Kraft, die seitwärts wirkt, in die Richtung der anderen Elektronen. Hier im gebogenen Teil des Leiters schieben die Elektronen also weniger gegeneinander und dafür mehr gegen die Außenwand. Deshalb können sich hier mehr Elektronen nebeneinander quetschen. Für unser Elektron ist es natürlich sehr unangenehm, so hart gegen die Wand gepresst zu werden. Sein unangenehmes Gefühl ist sogar so groß, dass wir es messen können.

Messen wir das elektrische Feld um den Leiter, stellen wir fest, dass es gerade in diesem Bereich stärker ist, wo die Elektronen so heftig gegen die Außenwand abgestoßen werden. Dort, wo ein Leiter gebogen wird, sich wölbt oder eine scharfe Kante hat, da weist er eine höhere Konzentration an geladenen Teilchen auf. Auch ist das elektrische Feld dort am stärksten. Du kannst es selbst gerne mal testen. Lade einen Leiter mit statischer Elektrizität auf -– du wirst bemerken, dass es viel einfacher ist, den Leiter von einem spitzen Punkt aus durch die Luft zu entladen als von einer flachen Oberfläche aus.