| Satz von Gauß: Fluss durch beliebige geschlossene Flächen | |
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| Fluss durch eine ebene Fläche im homogenen Feld |
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- Setze E·A gleich Qenc/ε₀ und löse nach E auf. Die drei Standardergebnisse sind Punktladung, Linienladung und geladene Ebene.
- 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
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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.
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Nur die Feldkomponente in Richtung der Flächennormalen tritt durch die Fläche:
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Mit A = (0,20 m)² = 0,040 m²:
Antwort
400 N·m²/C. Dreht man das Quadrat so weit, dass das Feld parallel daran vorbeistreift (θ = 90°), sinkt der Fluss auf null.
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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.
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Der Fluss aus dem gesamten Würfel beträgt q/ε₀ – völlig unabhängig von der Geometrie:
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Aus Symmetriegründen entfällt auf jede der sechs Seitenflächen derselbe Anteil:
Antwort
188,2 N·m²/C pro Fläche; die Kantenlänge des Würfels spielt keine Rolle.
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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.
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Acht solche Würfel, die an dieser Ecke aneinanderstoßen, würden die Ladung vollständig einschließen; symmetriebedingt erhält jeder den gleichen Anteil:
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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:
Antwort
141,2 N·m²/C durch den gesamten Würfel: jeweils 47,06 durch die drei fernen Flächen und null durch die drei anliegenden.
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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.
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Im Inneren schließt eine Gauß-Kugel vom Radius r den Anteil (r/R)³ der Gesamtladung ein:
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Der Gaußsche Satz für diese Kugelfläche:
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Für r = 0,05 m:
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Außerhalb umfasst die Hüllkugel die gesamte Ladung Q; das Feld gleicht dem einer Punktladung:
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.
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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.
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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:
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Im Hohlraum bei 5 cm ist lediglich q eingeschlossen:
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Im Metall bei 12 cm gilt E = 0. Außerhalb bei 20 cm umschließt die Fläche q + Qs:
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.
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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.
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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:
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Auflösen nach E:
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Für r = 0,05 m:
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.
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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.
Lösung anzeigen
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Zwischen den Leitern schließt der Gauß-Zylinder nur die Ladung des Innenleiters ein:
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Außerhalb des Kabels umschließt er beide Ladungen, die sich exakt aufheben:
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.
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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.
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Eine die Ebene schneidende Pillbox besitzt zwei Deckflächen der Fläche A, aus denen E jeweils senkrecht austritt, und umschließt die Ladung σA:
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Zwischen den Platten weisen die Einzelfelder in dieselbe Richtung – von + nach − – und verstärken sich; außerhalb sind sie entgegengerichtet und heben sich auf:
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.
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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.
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Die Ladung innerhalb des Radius r durch Integration über dünne Kugelschalen der Fläche 4πr′² und Dicke dr′:
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Der Gaußsche Satz für eine Kugel mit Radius r:
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Für r = 0,050 m sowie für die Gesamtladung bei r = R:
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.
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Weitere Aufgaben, nur mit Lösungen
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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.
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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.
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Eine leitende Kugel mit Radius 5,0 cm trägt 4,0 nC. Bestimme E bei 3,0 cm und 10 cm Abstand vom Zentrum.
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Null bei 3,0 cm (im Metall), 3.595 N/C bei 10 cm.
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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.
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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.
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1.129 N/C bei 1,0 cm; überall außerhalb 2.259 N/C.
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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.
Lernpfad
Woher Felder kommen
Quellen (4)
- Gauss's law and flux: the flux through a closed surface is the same “regardless of the shape or size of the surface, as long as the surface encloses the same amount of charge”, and a charge outside contributes zero: S. J. Ling, J. Sanny and W. Moebs, University Physics Volume 2, OpenStax (2016), section 6.2, “Explaining Gauss's Law”.
- The symmetric cases worked as here: a uniformly charged sphere inside and out (Example 6.6, E growing linearly inside), a non-uniformly charged sphere (6.7), a cylindrical shell (6.8), and the infinite plane σ/(2ε₀): S. J. Ling, J. Sanny and W. Moebs, University Physics Volume 2, OpenStax (2016), section 6.3, “Applying Gauss's Law”.
- Insight block 3: concentric metal globes, an alternating potential above 3,000 V on the outer one, a detector inside sensitive to about 10⁻⁶ V, and the exponent 2 confirmed to within 2 × 10⁻⁹: S. J. Plimpton and W. E. Lawton, “A Very Accurate Test of Coulomb's Law of Force Between Charges”, Physical Review 50(11), 1936, pp. 1066-1071. DOI 10.1103/PhysRev.50.1066
- Insight block 3: the 1971 high-frequency test, q = (2.7 ± 3.1) × 10⁻¹⁶ for a force of the form 1/r^(2+q): E. R. Williams, J. E. Faller and H. A. Hill, “New Experimental Test of Coulomb's Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass”, Physical Review Letters 26(12), 1971, pp. 721-724. DOI 10.1103/PhysRevLett.26.721