Abb. 1: E-Feld einer geladenen Metallkugel (statische Ladungen; kein Stromfluss) Ein elektrisch geladener Metallkörper, z.B. eine Metallkugel, trägt Ladungen allein auf seiner Oberfläche. Von positiven Ladungen geht ein elektrisches Feld in den Außenraum aus; das Innere des Metallkörpers ist frei von elektrischem Feld. Im Außenraum steht das elektrische Feld senkrecht auf der geladenen Oberfläche. Denn, gäbe es dort ein elektrisches Feld nicht senkrecht zur Oberfläche, würde es Ladungen im Metall verschieben, bis das Feld keine Komponente parallel zur Oberfläche mehr hätte. Wenn im Inneren ein elektrisches Feld vorhanden wäre, würde es ebenfalls elektrische Ladungen verschieben, bis das Innere feldfrei wäre. Von dieser Situation soll hier nicht die Rede sein. Im Folgenden geht es um Oberflächenladungen bei stromdurchflossenen Leitern.

Üblicherweise wird in der Schulphysik nur ein "stationärer Strom" behandelt, der sich einige Zeit nach dem "Einschaltvorgang" eingestellt hat. Während des Einschaltvorgangs finden zum Teil recht komplizierte Vorgänge statt, die m.E. in der Schulphysik nicht behandelt werden sollten. Durch den Stromfluss entstehen dabei aber Ladungsverteilungen auf den Oberflächen der stromdurchflossenen Leiter und evtl. in ihrem Inneren, die für den stationären Strom wichtig sind. Insbesondere sind sie für das elektrische Feld im Inneren des Leiters mitverantwortlich.

Bei einem dünnen stromdurchflossenen Leiter mit scharf begrenzter Oberfläche solltest du nach dem Einschaltvorgang folgende Ergebnisse zur Kenntnis nehmen:

1. Es ist ein elektrisches Feld E entstanden, das von Ladungen der Stromquelle ausgeht und durch Oberflächenladungen verformt wurde. Wichtig ist dabei vor allem das elektrische Feld im Leiter. Es folgt bei dünnen Leitern immer dem Leiterverlauf und ist parallel zur Oberfläche des Leiters gerichtet. Über den gesamten Leiterquerschnitt ist es von konstantem Betrag. Manche sehen dieses Feld als Ursache für den jetzt fließenden stationären Strom.

2. Solange der Leiterkreis nicht verändert wird, also auch solange er nicht mechanisch verformt wird, verändern sich Oberflächenladungen nicht. Es sind statische Ladungen. Andernfalls passen veränderte Oberflächenladungen in Vorgängen ähnlich dem Einschaltvorgang das elektrische Feld so an, dass es im Leiter wieder parallel zu dessen Oberfläche und über den Leiterquerschnitt von konstantem Betrag ist. Beim stationären Strom haben die Oberflächenladungen zwar das elektrische Feld an die neue Situation angepasst, sonst nehmen sie aber nicht mehr am Stromfluss teil. Wir brauchen uns jetzt nicht mehr um sie kümmern.

Abb. 2: Im dünnen stromdurchflossenen Leiter folgen der Stromfluss j (Stromdichte) und die elektrische Feldstärke E als Folge von Oberflächenladungen immer dem Verlauf des Leiters, ganz gleich wie dieser geformt ist.

3. Oberflächenladungen sitzen auf den Oberflächen der Leiter. Zu ihnen werden häufig auch Ladungsanhäufungen (Raumladungen) im Inneren des Leiters gezählt. Sie entstanden beim Einschaltvorgang dort, wo sich die Leitfähigkeit σ oder der Leiterquerschnitt ändert.

4. Es gilt das Ohm'sche Gesetz, auch in der vektoriellen Form (die in der Schule nicht behandelt wird; Leitfähigkeit σ): j = σ·E. Es besagt auch, dass im Inneren des Leiters der Stromfluss j (die Stromdichte) und die elektrische Feldstärke E gleichgerichtet parallel sind (siehe Abb. 2). Ohne elektrisches Feld im Inneren des Leiters kann es danach bei endlicher Leitfähigkeit σ (bzw. bei Widerstand > 0) auch keinen Stromfluss geben. Das steht in Verbindung mit der Tatsache, dass die elektrische Feldstärke im Leiterinneren (genauso wie der Stromfluss) "dem Leiterverlauf folgt", ganz gleich, welche Form der dünne Leiter bzw. welche Richtung der Stromfluss hat. Und auch mit der selbstverständlichen Aussage: Dass der Strom nur im Leiter fließt und nicht aus ihm heraustreten kann.

Dein Lehrer kann zur Theorie von Oberflächenladungen bei dünnen stromdurchflossenen Leitern hier mehr erfahren:

Zur Theorie stationärer Ströme in einem geschlossenen Stromkreis

( Juli 2023 )