Gaußscher Satz und elektrischer Fluss

Der Fluss von E durch eine beliebige geschlossene Fläche ist gleich der eingeschlossenen Ladung geteilt durch ε₀. Das gilt immer – nützt aber meistens nichts, weil es nur eine einzige Zahl für die gesamte Fläche liefert. Besitzt die Ladung jedoch eine Symmetrie, lässt sich eine Fläche wählen, die das Feld überall senkrecht und mit konstantem Betrag durchsetzt. Dann liefert eine einzige Zeile Rechnung das gesuchte E. Wähle eine Symmetrie, passe die Gauß-Fläche an und lies die eingeschlossene Ladung, den Fluss und das Feld direkt ab.

Satz von Gauß: Fluss durch beliebige geschlossene Flächen ∮E⃗⋅dA⃗=Qencε0\oint\vec E\cdot d\vec A=\frac{Q_{\mathrm{enc}}}{\varepsilon_0}
Fluss durch eine ebene Fläche im homogenen Feld Φ=E⃗⋅A⃗=EAcos⁡θ\Phi=\vec E\cdot\vec A=EA\cos\theta
Interaktive Simulation wird geladen...

Lektion

Die Theorie — Gaußscher Satz und elektrischer Fluss

Der elektrische Fluss durch eine Fläche ist Φ = ∫E·dA: die über die Fläche aufsummierte Normalkomponente des Feldes. Der Gaußsche Satz besagt, dass der Fluss durch jede geschlossene Hüllfläche gleich der eingeschlossenen Ladung geteilt durch ε₀ ist: ∮E·dA = Qenc/ε₀.

Was die einzelnen Symbole bedeuten

dA
vektorielles Flächenelement: Betrag entspricht der Teilfläche, Richtung zeigt senkrecht nach außen
Q_enc
die von der geschlossenen Fläche umschlossene Ladung; äußere Ladungen tragen in der Summe nichts zum Fluss bei
ε₀
die elektrische Feldkonstante, 8,854 × 10⁻¹² C²/(N·m²)

Woher die Formel kommt

  1. Fluss ist Feld mal durchstoßene Fläche. Bei einer ebenen Fläche A in einem homogenen Feld E unter dem Winkel θ zur Flächennormalen trägt nur E cos θ zum Durchtritt bei.
    Φ=∫E⃗⋅dA⃗,Φ=EAcos⁡θ\Phi=\int\vec E\cdot d\vec A,\qquad\Phi=EA\cos\theta
  2. Der Fluss einer Punktladung hängt nicht von der Hüllfläche ab. Durch eine Kugel beliebigen Radius um q beträgt er kq/r² mal 4πr², also q/ε₀, da sich r wegkürzt. Jede anders geformte Hülle wird von denselben Feldlinien durchstoßen, und weitere Ladungen addieren ihre Flüsse einfach auf.
    ∮kqr2 dA=kqr2⋅4πr2=4πkq=qε0\oint\frac{kq}{r^{2}}\,dA=\frac{kq}{r^{2}}\cdot4\pi r^{2}=4\pi kq=\frac{q}{\varepsilon_0}
  3. Wähle die Hüllfläche so, dass sich E vor das Integral ziehen lässt. Dank Symmetrie ist E auf Teilflächen betragsmäßig konstant und steht senkrecht darauf, oder verläuft tangential dazu. Der Fluss schrumpft damit auf das Produkt aus E und der durchströmten Fläche.
    ∮E⃗⋅dA⃗=E∮dA=EA\oint\vec E\cdot d\vec A=E\oint dA=EA
  4. Die drei klassischen Hüllflächen. Eine Kugel für kugelsymmetrische Ladungen, ein Zylinder der Länge L für Fäden oder Stäbe (die Stirnflächen tragen keinen Fluss) und eine Pillbox für geladene Ebenen (nur die beiden Deckflächen zählen).
    4πr2,2πrL,2A4\pi r^{2},\qquad 2\pi rL,\qquad 2A
  5. Setze E·A gleich Qenc/ε₀ und löse nach E auf. Die drei Standardergebnisse sind Punktladung, Linienladung und geladene Ebene.
    E=Q4πε0r2,E=λ2πε0r,E=σ2ε0E=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0r^{2}},\qquad E=\frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0r},\qquad E=\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}
Setzt voraus
Ruhende Ladungen vorausgesetzt. Der Satz von Gauß gilt universell für jede geschlossene Fläche und jede Ladungsverteilung. Erst die Symmetrie erlaubt es, E direkt daraus zu isolieren. Zylinder und Ebene werden als unendlich ausgedehnt idealisiert; ein realer Stab oder eine reale Platte zeigt dieses Verhalten nur weit abseits von Enden und Rändern.

Aufgaben vollständig gelöst

  1. Fluss durch eine ebene Fläche 2 Schritte

    Ein homogenes Feld von 2,0 × 10⁴ N/C trifft unter 60° zur Flächennormalen auf ein Quadrat mit 20 cm Seitenlänge. Berechne den Fluss durch das Quadrat.

    1. Nur die Feldkomponente in Richtung der Flächennormalen tritt durch die Fläche:

      Φ=EAcos⁡θ\Phi=EA\cos\theta
    2. Mit A = (0,20 m)² = 0,040 m²:

      Φ=(2.0×104)(0.040)cos⁡60∘=400 N m2/C\Phi=(2{.}0\times10^{4})(0{.}040)\cos60^{\circ}=400\ \mathrm{N\,m^{2}/C}

    Antwort

    400 N·m²/C. Dreht man das Quadrat so weit, dass das Feld parallel daran vorbeistreift (θ = 90°), sinkt der Fluss auf null.

    Φ=400 N m2/C\Phi=400\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
  2. Ladung im Zentrum eines Würfels 2 Schritte

    Eine Ladung von 10 nC sitzt im Mittelpunkt eines Würfels mit 20 cm Kantenlänge. Bestimme den Fluss durch eine einzelne Seitenfläche.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Der Fluss aus dem gesamten Würfel beträgt q/ε₀ – völlig unabhängig von der Geometrie:

      Φ=qε0=1.0×10−88.854×10−12≈1129 N m2/C\Phi=\frac{q}{\varepsilon_0}=\frac{1{.}0\times10^{-8}}{8{.}854\times10^{-12}}\approx1129\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
    2. Aus Symmetriegründen entfällt auf jede der sechs Seitenflächen derselbe Anteil:

      Φ1=16⋅qε0≈188.2 N m2/C\Phi_{1}=\frac{1}{6}\cdot\frac{q}{\varepsilon_0}\approx188{.}2\ \mathrm{N\,m^{2}/C}

    Antwort

    188,2 N·m²/C pro Fläche; die Kantenlänge des Würfels spielt keine Rolle.

    Φ1=q6ε0≈188.2 N m2/C\Phi_{1}=\frac{q}{6\varepsilon_0}\approx188{.}2\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
  3. Ladung in einer Würfelecke 2 Schritte

    Dieselben 10 nC befinden sich nun in einer Ecke des Würfels. Bestimme den Fluss durch jede Fläche sowie den gesamten Würfel.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Acht solche Würfel, die an dieser Ecke aneinanderstoßen, würden die Ladung vollständig einschließen; symmetriebedingt erhält jeder den gleichen Anteil:

      Φ=18⋅qε0≈141.2 N m2/C\Phi=\frac{1}{8}\cdot\frac{q}{\varepsilon_0}\approx141{.}2\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
    2. Die drei Flächen, die an der Ecke zusammentreffen, verlaufen parallel zu den Feldlinien und fangen keinen Fluss ein. Die drei übrigen Flächen teilen sich den Gesamtfluss gleichmäßig:

      Φ1=0,Φ2=13⋅q8ε0=q24ε0≈47.06 N m2/C\Phi_{1}=0,\qquad\Phi_{2}=\frac{1}{3}\cdot\frac{q}{8\varepsilon_0}=\frac{q}{24\varepsilon_0}\approx47{.}06\ \mathrm{N\,m^{2}/C}

    Antwort

    141,2 N·m²/C durch den gesamten Würfel: jeweils 47,06 durch die drei fernen Flächen und null durch die drei anliegenden.

    Φ=q8ε0≈141.2 N m2/C\Phi=\frac{q}{8\varepsilon_0}\approx141{.}2\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
  4. Im Inneren und außerhalb einer geladenen Kugel 4 Schritte

    Eine Kugel mit Radius 10 cm trägt eine homogen verteilte Ladung von 10 nC. Bestimme E im Abstand von 5 cm und 20 cm vom Mittelpunkt.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Im Inneren schließt eine Gauß-Kugel vom Radius r den Anteil (r/R)³ der Gesamtladung ein:

      Qenc=Q r3R3Q_{\mathrm{enc}}=Q\,\frac{r^{3}}{R^{3}}
    2. Der Gaußsche Satz für diese Kugelfläche:

      E⋅4πr2=Qr3ε0R3 ⇒ E=kQrR3E\cdot4\pi r^{2}=\frac{Qr^{3}}{\varepsilon_0R^{3}}\ \Rightarrow\ E=\frac{kQr}{R^{3}}
    3. Für r = 0,05 m:

      E=(8.988×109)(1.0×10−8)(0.05)(0.10)3≈4494 N/CE=\frac{(8{.}988\times10^{9})(1{.}0\times10^{-8})(0{.}05)}{(0{.}10)^{3}}\approx4494\ \mathrm{N/C}
    4. Außerhalb umfasst die Hüllkugel die gesamte Ladung Q; das Feld gleicht dem einer Punktladung:

      E=kQr2=(8.988×109)(1.0×10−8)(0.20)2≈2247 N/CE=\frac{kQ}{r^{2}}=\frac{(8{.}988\times10^{9})(1{.}0\times10^{-8})}{(0{.}20)^{2}}\approx2247\ \mathrm{N/C}

    Antwort

    4.494 N/C bei 5 cm und 2.247 N/C bei 20 cm. An der Oberfläche beträgt das Feld 8.988 N/C. Auf halbem Weg nach innen halbiert es sich, weil das Innenfeld linear mit r wächst; beim doppelten Abstand außen schrumpft es auf ein Viertel.

    E(5 cm)≈4494 N/C,E(20 cm)≈2247 N/CE(5\ \mathrm{cm})\approx4494\ \mathrm{N/C},\qquad E(20\ \mathrm{cm})\approx2247\ \mathrm{N/C}
  5. Ladung in einer leitenden Kugelschale 3 Schritte

    Eine Ladung von 10 nC sitzt im Zentrum einer metallischen Schale mit Innenradius 10 cm und Außenradius 15 cm, die selbst eine Eigenladung von 5 nC trägt. Bestimme die Ladung auf den beiden Begrenzungsflächen sowie E bei 5 cm, 12 cm und 20 cm.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Im Metall ist E = 0, daher darf eine Gauß-Kugel im Inneren des Leiters keine Nettoladung einschließen. Die Innenwand muss folglich −q tragen; der Rest der Schalenladung wandert auf die Außenwand:

      Qa=−q=−10 nC,Qb=q+Qs=15 nCQ_{a}=-q=-10\ \mathrm{nC},\qquad Q_{b}=q+Q_s=15\ \mathrm{nC}
    2. Im Hohlraum bei 5 cm ist lediglich q eingeschlossen:

      E=kqr2=(8.988×109)(1.0×10−8)(0.05)2≈3.595×104 N/CE=\frac{kq}{r^{2}}=\frac{(8{.}988\times10^{9})(1{.}0\times10^{-8})}{(0{.}05)^{2}}\approx3{.}595\times10^{4}\ \mathrm{N/C}
    3. Im Metall bei 12 cm gilt E = 0. Außerhalb bei 20 cm umschließt die Fläche q + Qs:

      E=k (q+Qs)r2=(8.988×109)(1.5×10−8)(0.20)2≈3370 N/CE=\frac{k\,(q+Q_s)}{r^{2}}=\frac{(8{.}988\times10^{9})(1{.}5\times10^{-8})}{(0{.}20)^{2}}\approx3370\ \mathrm{N/C}

    Antwort

    −10 nC auf der Innenwand, 15 nC auf der Außenwand; E = 3,595 × 10⁴ N/C bei 5 cm, 0 bei 12 cm und 3.370 N/C bei 20 cm.

    E=3.595×104, 0, 3370 N/CE=3{.}595\times10^{4},\ 0,\ 3370\ \mathrm{N/C}
  6. Im Inneren eines geladenen Zylinders 3 Schritte

    Ein langer Zylinder mit Radius 10 cm trägt eine homogen im Volumen verteilte Ladung von 10 nC pro Meter. Bestimme E im Abstand von 5 cm zur Zylinderachse.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Wähle einen Gauß-Zylinder mit Radius r und Länge L. Nur die Mantelfläche trägt Fluss und schließt den Bruchteil (r/R)² der auf dieser Länge liegenden Ladung ein:

      E⋅2πrL=λLε0⋅r2R2E\cdot2\pi rL=\frac{\lambda L}{\varepsilon_0}\cdot\frac{r^{2}}{R^{2}}
    2. Auflösen nach E:

      E=λr2πε0R2=2kλrR2E=\frac{\lambda r}{2\pi\varepsilon_0R^{2}}=\frac{2k\lambda r}{R^{2}}
    3. Für r = 0,05 m:

      E=2 (8.988×109)(1.0×10−8)(0.05)(0.10)2≈898.8 N/CE=\frac{2\,(8{.}988\times10^{9})(1{.}0\times10^{-8})(0{.}05)}{(0{.}10)^{2}}\approx898{.}8\ \mathrm{N/C}

    Antwort

    898,8 N/C – genau ein Viertel der 3.595 N/C, die eine unendlich dünne Linie mit demselben λ bei 5 cm erzeugen würde.

    E=2kλrR2≈898.8 N/CE=\frac{2k\lambda r}{R^{2}}\approx898{.}8\ \mathrm{N/C}
  7. Koaxialkabel 2 Schritte

    Ein Koaxialkabel trägt +10 nC pro Meter auf einem Innenleiter mit Radius 2,0 cm und −10 nC pro Meter auf einem dünnen Außenleiter mit Radius 10 cm. Bestimme E bei 5,0 cm und 15 cm Abstand von der Achse.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Zwischen den Leitern schließt der Gauß-Zylinder nur die Ladung des Innenleiters ein:

      E⋅2πrL=λLε0 ⇒ E=2kλr=2 (8.988×109)(1.0×10−8)0.05≈3595 N/CE\cdot2\pi rL=\frac{\lambda L}{\varepsilon_0}\ \Rightarrow\ E=\frac{2k\lambda}{r}=\frac{2\,(8{.}988\times10^{9})(1{.}0\times10^{-8})}{0{.}05}\approx3595\ \mathrm{N/C}
    2. Außerhalb des Kabels umschließt er beide Ladungen, die sich exakt aufheben:

      E⋅2πrL=(λ−λ)Lε0=0 ⇒ E=0E\cdot2\pi rL=\frac{(\lambda-\lambda)L}{\varepsilon_0}=0\ \Rightarrow\ E=0

    Antwort

    3.595 N/C bei 5,0 cm und null bei 15 cm. Die entgegengesetzt gleichen Ladungen auf beiden Leitern schirmen das Feld vollständig nach außen ab.

    E(5 cm)≈3595 N/C,E(15 cm)=0E(5\ \mathrm{cm})\approx3595\ \mathrm{N/C},\qquad E(15\ \mathrm{cm})=0
  8. Geladene Ebene und zwei Platten 2 Schritte

    Bestimme das Feld einer großen Ebene mit 10 nC pro Quadratmeter sowie das Feld zwischen zwei großen Platten im Abstand von 10 cm mit +10 und −10 nC pro Quadratmeter.

    Öffne diese Aufgabe im Tool

    Lösung anzeigen
    1. Eine die Ebene schneidende Pillbox besitzt zwei Deckflächen der Fläche A, aus denen E jeweils senkrecht austritt, und umschließt die Ladung σA:

      2EA=σAε0 ⇒ E=σ2ε0=1.0×10−82 (8.854×10−12)≈564.7 N/C2EA=\frac{\sigma A}{\varepsilon_0}\ \Rightarrow\ E=\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}=\frac{1{.}0\times10^{-8}}{2\,(8{.}854\times10^{-12})}\approx564{.}7\ \mathrm{N/C}
    2. Zwischen den Platten weisen die Einzelfelder in dieselbe Richtung – von + nach − – und verstärken sich; außerhalb sind sie entgegengerichtet und heben sich auf:

      E=σ2ε0+σ2ε0=σε0≈1129 N/CE=\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}+\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}=\frac{\sigma}{\varepsilon_0}\approx1129\ \mathrm{N/C}

    Antwort

    564,7 N/C für die Einzelebene, 1.129 N/C zwischen den Platten und null außerhalb. Keines der beiden Felder hängt vom Abstand zu den Platten ab.

    E=σε0≈1129 N/CE=\frac{\sigma}{\varepsilon_0}\approx1129\ \mathrm{N/C}
  9. Kugel mit inhomogener Ladungsverteilung 3 Schritte

    Eine Kugel mit Radius R = 10 cm trägt eine Ladung mit der Dichte ρ = ρ₀r/R und ρ₀ = 2,0 μC/m³. Berechne die Gesamtladung sowie E bei r = 5,0 cm.

    Lösung anzeigen
    1. Die Ladung innerhalb des Radius r durch Integration über dünne Kugelschalen der Fläche 4πr′² und Dicke dr′:

      Qenc=∫0rρ0r′R 4πr′2 dr′=πρ0r4RQ_{\mathrm{enc}}=\int_{0}^{r}\rho_0\frac{r'}{R}\,4\pi r'^{2}\,dr'=\frac{\pi\rho_0r^{4}}{R}
    2. Der Gaußsche Satz für eine Kugel mit Radius r:

      E⋅4πr2=πρ0r4ε0R ⇒ E=ρ0r24ε0RE\cdot4\pi r^{2}=\frac{\pi\rho_0r^{4}}{\varepsilon_0R}\ \Rightarrow\ E=\frac{\rho_0r^{2}}{4\varepsilon_0R}
    3. Für r = 0,050 m sowie für die Gesamtladung bei r = R:

      E=(2.0×10−6)(0.050)24 (8.854×10−12)(0.10)≈1412 N/C,Q=πρ0R3≈6.283×10−9 CE=\frac{(2{.}0\times10^{-6})(0{.}050)^{2}}{4\,(8{.}854\times10^{-12})(0{.}10)}\approx1412\ \mathrm{N/C},\qquad Q=\pi\rho_0R^{3}\approx6{.}283\times10^{-9}\ \mathrm{C}

    Antwort

    Q = 6,283 nC; E = 1.412 N/C bei 5,0 cm. Bei r = R liefert die Innenformel 5.647 N/C – exakt denselben Wert wie kQ/R², wie es sein muss.

    Q≈6.283 nC,E≈1412 N/CQ\approx6{.}283\ \mathrm{nC},\qquad E\approx1412\ \mathrm{N/C}

Weitere Aufgaben, nur mit Lösungen

  1. Eine Ladung von 3,0 μC befindet sich innerhalb einer beliebig geformten geschlossenen Fläche. Bestimme den Fluss durch die Hüllfläche.

    Ergebnis anzeigen

    3,388 × 10⁵ N·m²/C.

    Φ=qε0≈3.388×105 N m2/C\Phi=\frac{q}{\varepsilon_0}\approx3{.}388\times10^{5}\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
  2. Ein homogenes Feld von 1.000 N/C verläuft parallel zur Symmetrieachse einer Halbkugel mit Radius 10 cm. Bestimme den Fluss durch ihre gewölbte Oberfläche.

    Ergebnis anzeigen

    31,42 N·m²/C: Exakt dieselben Feldlinien durchstoßen die abschließende Kreisfläche πR²E.

    Φ=πR2E≈31.42 N m2/C\Phi=\pi R^{2}E\approx31{.}42\ \mathrm{N\,m^{2}/C}
  3. Eine leitende Kugel mit Radius 5,0 cm trägt 4,0 nC. Bestimme E bei 3,0 cm und 10 cm Abstand vom Zentrum.

    Ergebnis anzeigen

    Null bei 3,0 cm (im Metall), 3.595 N/C bei 10 cm.

    E(3 cm)=0,E(10 cm)=kQr2≈3595 N/CE(3\ \mathrm{cm})=0,\qquad E(10\ \mathrm{cm})=\frac{kQ}{r^{2}}\approx3595\ \mathrm{N/C}
  4. Ein langer Zylinder mit Radius 2,0 cm trägt 5,0 nC pro Meter, gleichmäßig über sein Volumen verteilt. Bestimme E im Abstand von 1,0 cm und 4,0 cm zur Achse.

    Ergebnis anzeigen

    Jeweils 2.247 N/C: Der halbe Radius innen halbiert das Oberflächenfeld, der doppelte Abstand außen halbiert es ebenfalls.

    E=2kλrR2=2kλr′≈2247 N/CE=\frac{2k\lambda r}{R^{2}}=\frac{2k\lambda}{r'}\approx2247\ \mathrm{N/C}
  5. Eine ausgedehnte Schicht von 4,0 cm Dicke trägt homogen verteiltes ρ = 1,0 μC/m³. Bestimme E im Abstand von 1,0 cm zur Mittelebene sowie außerhalb der Schicht.

    Ergebnis anzeigen

    1.129 N/C bei 1,0 cm; überall außerhalb 2.259 N/C.

    E=ρxε0≈1129 N/C,E=ρaε0≈2259 N/CE=\frac{\rho x}{\varepsilon_0}\approx1129\ \mathrm{N/C},\qquad E=\frac{\rho a}{\varepsilon_0}\approx2259\ \mathrm{N/C}
  6. Eine Punktladung q sitzt im Mittelpunkt einer Würfelfläche. Bestimme den Fluss durch den Würfel.

    Ergebnis anzeigen

    q/(2ε₀): Ein zweiter, identischer Würfel auf der anderen Seite der Fläche nähme genau die andere Hälfte auf.

    Φ=q2ε0\Phi=\frac{q}{2\varepsilon_0}

Von außen lässt sich eine geladene Kugel nicht von einer Punktladung unterscheiden

Klicke auf Geladene Kugel und zieh die Gauß-Kugel über R = 10 cm hinaus. Außerhalb folgt das Feld exakt der Kurve kQ/r² – dem Feld von 10 nC im Zentrum. Eine Kugel mit Radius r außerhalb umschließt stets die gesamte Ladung Q, ganz gleich, wie sich ihre Teile verteilen, und die Symmetrie verteilt den Fluss gleichmäßig über 4πr². Wechsel zur Kugelschale, und außen zeigt sich dieselbe Kurve. Der ganze Unterschied liegt im Inneren: Das Feld der Schale ist überall im Hohlraum null, während das der Kugel linear ansteigt – gemäß E = kQr/R³, von null im Zentrum bis zum Spitzenwert von 8.988 N/C an der Oberfläche. Eine Gauß-Kugel im Inneren umfasst nur den Bruchteil (r/R)³ der Ladung und verteilt ihn auf eine Fläche, die mit r² wächst. Es bleibt genau eine Potenz von r übrig.

Wandert die Ladung in eine Ecke, fängt der Würfel nur noch ein Achtel des Flusses ein

Klicke auf Ladung im Würfelzentrum: Durch jede Seitenfläche treten 188,2 N·m²/C, genau ein Sechstel von q/ε₀ = 1.129 N·m²/C. Schieb nun t in Richtung Ecke. Die drei nahen Flächen gewinnen Fluss, die drei fernen verlieren ihn, und die Summe verharrt bei 1.129 bis zum allerletzten Schritt: Bei t = 0,99 tragen die nahen Flächen je 328,8 und die fernen 47,7. In der Ecke selbst führen die nahen Flächen gar keinen Fluss mehr, weil das Feld dort tangential an ihnen entlangstreift. Jede der drei fernen Flächen trägt nun 47,06, ein Vierundzwanzigstel von q/ε₀. Acht an dieser Ecke zusammenstoßende Würfel würden sich den Fluss zu gleichen Teilen teilen. Jenseits der Ecke ist die Summe null: Durch drei Flächen tritt Fluss ein, durch die anderen drei wieder aus.

Das feldfreie Innere einer geladenen Schale ist der schärfste Test für das Coulomb-Gesetz

Klicke auf Geladene Kugelschale: Im Inneren ist das Feld bei jedem Radius null. Der Satz von Gauß liefert das in einer Zeile – allerdings nur, weil die Coulomb-Kraft exakt wie 1/r² abfällt. Würde sie wie 1/r^(2 + q) mit einem q ungleich null abfallen, hielten sich die nahe und die ferne Seite der Schale nicht mehr exakt die Waage, und im Inneren träte ein Feld auf. Ein Nullbefund im Hohlraum ist daher eine direkte Messung von q. 1936 legten Plimpton und Lawton eine Wechselspannung von über 3.000 V an eine äußere Metallkugel an. Mit einem Detektor, der rund 10⁻⁶ V auflösen konnte, suchten sie nach einer Potenzialdifferenz zur Innenkugel. Sie fanden keine und grenzten q auf unter 2 × 10⁻⁹ ein. Williams, Faller und Hill erreichten 1971 mit einem Hochfrequenztest schließlich q = (2,7 ± 3,1) × 10⁻¹⁶.

Lernpfad

Woher Felder kommen

Quellen (4)