Abbildung 1:Schematische Veranschaulichung elektrischer Influenz

Influenz, lat. Einfluss, auch Elektrostatische Induktion, bezeichnet die Verlagerung beweglicher elektrischer Ladungen in einem Leiter durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes.

Gleichnamige elektrischen Ladungen (+ / + bzw. - / -) stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige (+ / -) ziehen sich an (Coulomb-Gesetz). Bringt man einen Körper in ein elektrisches Feld, so verändert sich seine Ladungsverteilung. Dies geschieht, da negative und positive Ladungen durch die Wirkung dieses Feldes in entgegengesetzte Richtungen streben. Die Gesamtladung des Körpers bleibt jedoch konstant. Durch Influenz können also Ladungen eines Körpers räumlich voneinander getrennt werden.

Influenz ist das grundlegende Funktionsprinzip von Elektrophoren und Influenzmaschinen.

[Bearbeiten] Wirkung

Abbildung 2:Die Feldlinien verdeutlichen Kraftwirkung der elektrischen Ladungen gleicher Polarität zwischen einer Kugel und einer Punktladung gleicher Polarität

Jeder elektrische Ladungsträger ist von einem elektrischen Feld einer bestimmten Polarität umgeben. Das Elektron ist Träger der negativen, das Proton der positiven Ladung. Ladungen gleicher Polarität stoßen sich gegenseitig ab. Elektronen sind leichter durch elektrischer Felder zu beeinflussen und beweglicher als Protonen, da sie erheblich weniger Masse besitzen. Deshalb werden hauptsächlich Elektronen zum Transport elektrischer Ladungen verwendet. Die positiven Ladungen der Protonen können ebenfalls durch elektrische Felder bewegt werden. Dies erfolgt erheblich langsamer als bei den Elektronen und erfordert mehr Energie (zum Beispiel stärkere elektrische Felder oder kinetische Energie). Grundvoraussetzung für die Trennung elektrischer Ladungen ist die Verfügbarkeit beweglicher Ladungsträger, also entweder Elektronen oder beweglicher Ionen, Atomen mit Elektronenmangel und Protonenüberschuss.

Werden bewegliche Ladungsträger auf der Oberfläche eines Isolators oder eines elektrischen Leiters in die Nähe eines elektrischen Feldes gleicher Polarität gebracht, werden sie auf die dem Feld abgewandte Seite abgedrängt, weil sich Ladungen gleicher Polarität abstoßen. Dadurch kommt es zur einer ungleichen Verteilung der Ladungsträger an der Oberfläche des Körpers. Seine Polarität entspricht auf der dem Feld abgewandten Seite derjenigen des elektrischen Feldes. Auf der zugewandten Seite ist sie von entgegengesetzter Polarität zum influenzierenden Feld.

Auf elektrischen Leitern vollzieht sich die Verschiebung der Ladungsträger an der Oberfläche schneller, als auf Isolatoren, weil im Leiter frei bewegliche Elektronen den Ladungstransport übernehmen können. Auf einem Isolator findet die Verschiebung allein an der Oberfläche statt. Der Vorgang dauert länger, weil weniger frei bewegliche Elektronen vorhanden sind oder Ionen den Ladungstransport übernehmen. Die Verschiebung von Ladungsträgern, also von Elektronen oder Ionen, durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes ist die Influenz.

Wird durch elektrische Kontaktierung (zum Beispiel über einen leitenden Draht) ein Teil der verschobenen Oberflächenladungen abgeleitet, lädt sich der Körper elektrostatisch auf, weil ein Ungleichgewicht zwischen den dort verbliebenen Ladungsträgern entsteht. Dies ist das Funktionsprinzip der Influenzmaschine.

[Bearbeiten] Ladungstrennung in elektrischen Leitern

Influenz führt in einem elektrischen Leiter direkt zur Wanderung von Elektronen durch den Leiter. An der Oberfläche zeigt sich dadurch eine, je nach der äußeren Feldkonfiguration verschiedenartig verteilte, negative und positive Ladungsverteilung, welche zum Verschwinden der elektrischen Feldstärke im Inneren des elektrischen Leiters führt.

[Bearbeiten] Wirkung auf Isolatoren

Im Gegensatz zum Effekt der Influenz auf elektrische Leiter, wirkt sie bei Isolatoren nur effektiv, wenn diese zuvor elektrisch aufgeladen wurden und dadurch bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stehen. Ungeladene Isolatoren unterliegen dennoch dem Effekt der Influenz, in diesem Fall Polarisation genannt:

[Bearbeiten] Verschiebungspolarisation

Die elektrische Influenz wirkt auf einen Isolator nicht in Form einer Trennung elektrischer Ladungen durch Verschiebung von Elektronen, sondern mittels der Verschiebungspolarisation. Durch Verformung oder Verschiebung der Atome beziehungsweise Moleküle des Isolators werden diese polarisiert.

[Bearbeiten] Orientierungspolarisation

Influenz wirkt auf einen elektrischen Dipol durch Orientierungspolarisation. Die Dipolmoleküle werden am elektrischen Feld ausgerichtet und so polarisiert.

[Bearbeiten] Abgrenzung

Der Effekt der Influenz muss von anderen Mechanismen zur Trennung elektrischer Ladungen unterschieden werden. Reibungselektrizität basiert auf der Trennung elektrischer Ladungen durch den triboelektrischen Effekt und ist ein Sonderfall der Kontaktelektrizität. Dabei wird der Übergang von Ladungen zwischen zwei sich berührenden Körpern genutzt.

[Bearbeiten] Entdeckung

Historischer Influenzgenerator nach Holtz aus dem Physikunterricht

Im Jahr 1754 entdeckte John Canton die Änderung der Verteilung elektrischer Ladungen auf Körpern unterschiedlichen Materials bei Annäherung und erklärt diesen Effekt 1758 zeitgleich mit Johan Carl Wilcke.

Alessandro Volta konstruiert auf der Grundlage von Cantons und Wilckes Arbeiten 1775 den Elektrophor und das erste Elektroskop. Er prägte den Begriff Influenz.

[Bearbeiten] Historische und heutige Anwendungen

Die Influenz wurde im Elektrophor zur kostengünstigen "Erzeugung von Elektrizität", d.h. Ladung, und im Elektroskop zur Messung der elektrischen Aufladung von Gegenständen verwendet. Abraham Bennet entwickelte 1787 den Elektrophor zum so genannten Bennet-Verdoppler weiter, mit dem sich elektrostatische Spannungen verdoppeln lassen. In der Influenzmaschine wird die Influenz in einem Kreisprozess zur kontinuierlichen Erzeugung und Verstärkung von Gleichspannung genutzt. Die Wimshurstmaschine kombiniert die Ladungstrennung durch Influenz mit dem Prinzip des Bennet-Verdopplers.

Pelletrons werden in einigen modernen Teilchenbeschleunigern als Gleichspannungsquelle eingesetzt. Sie nutzen ebenfalls Influenz und Spannungsvervielfachung zur Erzeugung von Hochspannungen bis 32 Millionen Volt.

Die Abschirmwirkung eines Faradayschen Käfigs gegenüber stationären elektrischen Feldern beruht ebenfalls auf der Influenz.

[Bearbeiten] Literatur

• Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik. 14 Auflage. Springer, 1993, ISBN 3-540-56500-0. 

[Bearbeiten] Weblinks

 Commons: Influenz – Bilder, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Influenz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

• Java-Applet zur dreidimensionalen Simulation von Feldlinien
• Programm zur Simulation von Influenz, Feldlinien und elektrischem Potenzial (Nichtstabile Version, benötigt das .NET Framework von Microsoft)
• Elektrische Influenz Erklärungen von leifiphysik.
• Pelletron-Homepage des Herstellers NEC (auf englisch)