elektrisches Feld
Englisch: electric field
Ein Bereich im Raum um ein geladenes Teilchen oder zwischen zwei Spannungen, das eine Kraft auf geladene Objekte in seiner Nähe ausübt.
Elektrisches Feld: unsichtbare Kraft, die Ladungen durch den Raum bewegt
Ein elektrisches Feld ist der unsichtbare Einflussbereich um jede elektrische Ladung oder zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem elektrischen Potenzial. Anders als die Schwerkraft, die auf Masse wirkt, übt ein elektrisches Feld Kraft direkt auf Elektronen, Ionen und andere geladene Teilchen aus. Die Feldstärke nimmt näher zur Quelle zu und schwächt sich mit der Entfernung ab; sie zeigt nach außen von positiven Ladungen und nach innen zu negativen Ladungen.
In der praktischen Industriearbeit entstehen elektrische Felder fast immer zwischen zwei Leitern mit unterschiedlichen Spannungen. Eine 480 V Drehstrommotor-Wicklung erzeugt elektrische Felder zwischen ihren Spulen und dem Rahmen. Ein Kondensator mit 1 mm Plattenabstand und 1000 V angelegter Spannung erzeugt eine Feldstärke von etwa 1 Million Volt pro Meter. Freileitungen bei 115 kV oder höher erzeugen messbare Felder in der Luft um sie herum, weshalb Arbeiter bei Arbeiten unter Spannung sichere Abstände einhalten müssen.
Die Feldstärke wird in Volt pro Meter (V/m) oder Kilovolt pro Zentimeter (kV/cm) gemessen. Verschiedene Materialien verhalten sich unterschiedlich: Leiter wie Kupfer ermöglichen freie Ladungsbewegung im Feld und neutralisieren es intern; Isolatoren hemmen die Ladungsbewegung, sodass das Feld darin bestehen bleibt. Diese Eigenschaft bestimmt, ob ein Material unter hohem Feldstress durchschlägt (elektrisch ausfällt). Mineralöl in Leistungstransformatoren hält typischerweise Felder bis etwa 30 kV/cm aus, bevor Ionisierung und Lichtbogenbildung beginnen.
Die praktische Bedeutung elektrischer Felder liegt in ihrer Wirkung auf Ladungsbewegung und in ihrem Versagen. In einem Motor erzeugt das Feld zwischen Stator und Rotor das Drehmoment, das die Welle antreibt. In einem Kabel oder Sammelschiene bestimmt das Feld zwischen dem Leiter und seinem geerdeten Schirm, ob die Isolierung unter transienten Überspannungen hält. Feldkonzentration an scharfen Kanten oder Ecken in Hochspannungsausrüstung (genannt Feldverstärkung) ist eine Hauptursache für Isolationsversagen, weshalb abgerundete Leiter und korrekte Geometrie im Schaltgerätebau wichtig sind.
Arbeiter treffen auf elektrische Felder indirekt durch die Gefahren, die sie schaffen. Ein starkes Feld kann Luftmoleküle ionisieren und dabei Koronaentladung (sichtbares Glühen um Hochspannungsteile) und Ozon erzeugen. Felder, die stark genug sind, um Luft vollständig durchzuschlagen, verursachen Überschlag und Lichtbogenbildung. Bei der Prüfung von Isolatoren und Kabeln werden manchmal Feldreaktionen gemessen, um den Materialzustand zu verstehen, ohne die Ausrüstung zu beschädigen. Eine Spannungsstressanalyse während des Entwurfs stellt sicher, dass Feldstärken unter den bewährten Sicherheitsgrenzen der gewählten Dielektrika bleiben.