Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)

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(Kursstufe > Grundlagen elektrischer, magnetischer und schwerer Felder)


Versuche und Beispiele

  • Erde und Mond ziehen sich über 400000km hinweg an.
    Video: Wie die Schwerkraft die Erde fest im Griff hat

  • Warum darf man an der Tankstelle kein Handy benutzen? (Video)

  • Schmeißt Zeus immer noch mit Blitzen oder wie entstehen sie? (Video 3:15-5:00)

  • Ein Hai kann elektrische Felder fühlen.

  • Mit einem Kompass kann man sich orientieren.

  • Zugvögel können das auch ohne Kompass.

  • Ein Kompass zeigt bei Heizkörpern an der Oberseite...

  • etwas anderes an als an der Unterseite.

  • Wie funktioniert eigentlich ein Laserdrucker?

  • Ein elektrischer "Zauberstab".

  • Ein "Schallplattengenerator".
    (Video des Versuchs)

  • Der Junge ist gerutscht.

  • Der Ballon klebt an der Wand! (Simulation)

Gravitation

Die Gravitationsdrehwaage
Ein Gewicht

Das Gewicht wird zum Boden gezogen. Beim kleinen Gewicht ist auch nur eine kleine Kraft nötig, um es zu halten.

Elektrische Wechselwirkung

  • Flying Stick
  • Doppelpendel
Zwei Trinkhalme

Zwei an einem Faden hängende Kunststoff-Trinkhalme werden mit einem Wollappen gerieben.

Beobachtung

Die beiden Halme entfernen sich voneinander.

Die Wirkung ist größer, wenn man stark gerieben hat und läßt mit der Zeit nach.

Magnetische Wechselwirkung

  • (Ent)Magnetisieren:Schütteln/Erhitzen (Elementarmagnete?)
  • Stabmagnet oder Eisenstab?
  • Doppelpendel
Ein schwebender Magnet
Beobachtung

Der Magnet sinkt auf den unteren, bis er zum Stehen kommt. Um ihn dem anderen zu nähern, muss man fester drücken.

Wagen stoßen zusammen

Zwei Wagen fahren aufeinander und stoßen zusammen. Zwischen den Wagen befindet sich eine Metallfeder. Dann werden Magnete an den Wagen befestigt und der Zusammenstoß wiederholt.

Beobachtung

Die Wagen nähern sich und stoßen sich voneinander ab. Im Falle der befestigten Magnete, ohne sich zu berühren.

Gemischtwarenladen

Aufbau

Man versucht mit dem geriebenen Luftballon eine Wirkung auf den Magneten zu erzielen. Oder auf ein aufgehängtes Holzstück.

Und Magnet und Stück Holz.

Beobachtung

Zwischen dem geriebenen Luftballlon und dem Magneten (dem Gewicht) gibt es eine WW.

Zwischen Magnet und Holz nicht. (Oder keine messbare.)

Eigenschaften von schwerer, elektrischer und magnetischer Wechselwirkung

Wechselwirkung Fernwirkung.png
Wechselwirkung Wechselwirkung.png

Drei verschiedene Wechselwirkungen

Zwei Gegenstände können eine Wechselwirkung aufeinander ausüben. Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie aufeinander Kräfte ausüben und Impuls austauschen. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.

Offensichtlich besteht eine Wechselwirkung zwischen jeweils passenden ähnlichen Eigenschaften von Gegenständen. Es gibt drei verschiedene physikalische Eigenschaften, die Wechselwirkungen hervorrufen[1].

1) Die (schwere) Masse ([math]m[/math] in Kilogramm, [math]\rm kg[/math])

Alle Gegenstände mit einer (schweren) Masse , werden gegenseitig angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)

2) Die elektrische Ladung ([math]Q[/math] in "Coulomb", [math]1\,\rm C=1\,\rm A\,s[/math]), die positiv oder negativ sein kann.

Elektrisch gleichnamige Gegenstände werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero und homophob[2] ."))

3) Die magnetische Ladung[3] ([math]Q_m[/math] in "Weber", [math]1\,\rm Wb=1\,\rm V\,s[/math]), die Nordpol- oder Südpolladung sein kann.

Die Enden zweier Gegenstände mit gleichnamigen magnetischen Ladungen werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen.


  • Die Wechselwirkung ist umso größer, je größer die Massen, die elektrischen oder die magnetischen Ladungen sind.
Zwei ungleichnamige elektrische oder magnetische Ladungen schwächen sich in ihrer gemeinsamen Wirkung.
  • Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.

Ladungsträger im Atommodell

  • Das Modell eines Isolators.

  • Das Modell eines Leiters.

  • Das Modell eines magnetisierbaren Gegenstandes.


  • Ein Atom besteht aus einem "festen" Kern aus Protonen und Neutronen mit "weicher" Elektronenhülle. (Entscheidend ist der Energieaufwand!)


  • Alle Materiebausteine tragen schwere Ladungen (Masse).
  • Protonen tragen positive und Elektronen negative elektrische Ladung.
  • Manche Atome (Fe, Co, Ni) oder Legierungen sind durch die Art ihrer Elektronenhülle ein kleiner Magnet/magnetischer Dipol. (Tragen sowohl Nord- als auch Südpolladung.)[4]


  • In Festkörpern sind die Atome nur schwer verschiebbar, oft in einer regelmäßigen Kristall-Struktur.
  • Die äußere Elektronenhülle ist bei manchen Festkörpern ("Leiter") "leicht" verschiebbar, bei anderen ("Isolator") nicht.
  • Die atomaren Magnete sind je nach Art des Festkörpers mehr oder weniger leicht zu drehen.[5]

Entstehung der Ursachen / Ladungen

  • Elektronen sind vom oberen auf den unteren Gegenstand gebracht worden.

  • Dadurch ist der obere Gegenstand positiv, der untere negativ geladen.

  • Leer.jpg

  • Bei einem Festmagneten sind die atomaren Magnete überwiegend gleich ausgerichtet.

  • Dieser Festmagnet ist sogar vollständig magnetisiert.

  • Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.

  • Bei diesem Elektret[6] sind die atomaren Dipole überwiegend gleich ausgerichtet.

  • Dieser Elektret ist sogar vollständig polarisiert.

  • Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.


  • Um einen Gegenstand elektrisch zu laden kann man elektrische Ladungen verschieben, man kann sie nicht erzeugen.
  • Um einen Gegenstand zu magnetisieren, muss man seine atomaren Magnete ausrichten.
    • Bei der Magnetisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel Nordpol- wie Südpolladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
    • Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Magnete eines magnetisierbaren Gegenstandes beweglich.
  • Um einen Gegenstand zu polarisieren, muss man seine atomaren elektrischen Dipole ausrichten.
    • Bei der Polarisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel positive wie negative Ladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
    • Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Dipole eines polarisierbaren Gegenstandes beweglich.


  • Bringt man positive und negative Ladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
  • Bringt man Nordpolladung und Südpolladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
  • Ein Gegenstand mit ebensoviel positiver wie negativer Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.
  • Ein Gegenstand mit ebensoviel Nordpol- wie Südpol-Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.

Vergleiche

Stärke

Im Alltag ist die magnetische Wechselwirkung am stärksten. Schon kleine Magnete werden mit großen Kräften zusammengezogen. Elektrische Kräfte, wie zwischen zwei geriebenen Luftballons sind verhältnismäßig klein.

Erst bei großen Massen wie der Erde ist die schwere Wechselwirkung deutlich spürbar.

Reichweite
  • Es gibt keine negative Massen.
  • Die meisten Gegenstände enthalten fast gleichviel positive und negative elektrische Ladung. (Weil gleichnamige elektrische Ladung voneinander abgestoßen wird, ist es schwer elektrische Ladung anzuhäufen.)
  • Alle Gegenstände enthalten gleichviel Nord- und Südpolladung.

Im Gegensatz zur elektrischen Ladung kann man von schwerer Masse ganz viel anhäufen. In einem großen Abstand wirkt daher nur noch die Gravitation von massereichen Gegenständen, wie Erde, Mond oder Sonne. Bei einem Magnet heben sich in größerer Entfernung die Wirkung der beiden Pole auf.

Elektrische und magnetische Influenz[7]

  • magnetische Polarisation (magnetische Influenz): Ein unmagnetischer aber magnetisierbarer Gegenstand.

  • Wird in der Nähe eines Südpols magnetisiert.

  • Vereinfachte Darstellung mit magnetischen Polarisationslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.

  • Verschiebungspolarisation (elektrische Influenz): Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

  • polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.

  • Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien, die von negativen zu positiven Ladungen verlaufen.

  • Orientierungspolarisation (elektrische Influenz): Haben die Moleküle einen elektrischen Dipol (zB Wasser)...

  • so werden die Moleküle gedreht.

  • Nach Außen ergibt sich das gleiche Ergebnis wie bei der Verschiebung der Elektronenhüllen.

  • Ladungsverschiebung (elektrische Influenz): Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

  • Ladungen verschoben.

  • Der Gegenstand ist nicht polarisiert.
    Es entsteht trotzdem ein elektrischer Dipol.

  • Elektrische Ladung ist in einigen Stoffen sehr beweglich, in anderen nicht.
  • Magnetische Ladung ist immer fest an den magnetisierten Gegenstand gebunden.
  • In einem elektrisch neutralen Gegenstand werden in der Nähe eines elektrisch geladenen Gegenstandes die Ladungen verschoben. (elektrische Influenz)
  • In einem magnetisierbaren Gegenstand werden in der Nähe einer magnetischen Ladung die atomaren Magnete ausgerichtet. (magnetische Influenz)
  • Elektrische Ladungen lassen sich nur sehr schlecht speichern/anhäufen. Elektrische Ladungen lassen sich nur schwer trennen.
  • Ein Gramm Kupfer hat eine positive Ladung von fast 3 Millionen Coulomb!
  • Bei Nichtleitern gibt es keine frei beweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar.

Häufige Fehler

  • Die Magnetpole befinden sich an den Enden der Magnetisierung. Es ist sinnvoll diese farbig zu markieren. Häufig wird aber eine ganze Hälfte eines Permanentmagneten grün oder rot gezeichnet.

Fußnoten

  1. ↑ Außerdem gibt es noch die starke und die schwache Wechselwirkung. Meistens wird die elektro-magnetische WW nur als eine WW gezählt, dann sind es 4 WW. Die starke WW ist unter anderem dafür verantwortlich, dass die Atomkerne zusammenhalten. Die schwache WW ist beim radioaktiven Zerfall von Bedeutung.
  2. ↑ Siehe Wikipedia: Homophobie
  3. ↑ Die magnetische Ladung wird auch als Polstärke [math]p[/math] bezeichnet.
  4. ↑ Wikipedia: Dauermagnetmaterialien
    IBM sucht die Super-Festplatte Artikel bei heise online über eine "Super-Festplatte", welche die Magnetisierung einzelner Eisenatome zur Datenspeicherung verwendet.
    Schöne Bilder von atomarer Magnetstruktur (Prof. Dr. rer. nat. Dronskowski (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen))
  5. ↑ Genauer gesagt, sind die Grenzen der sogenannten "Weisschen Bezirke" mit mehr oder weniger Energieaufwand zu verschieben.(Siehe Wikipedia: Weiss-Bezirk)
  6. ↑ Elektrete sind das elektrische Analogon zu Magneten. Sie enthalten atomare elektrische Dipole, die dauerhaft in eine bestimmte Richtung zeigen können. Dadurch entstehen an den Rändern Polarisationsladungen. (Siehe Wikipedia: Elektret) Hauptanwendung ist die Herstellung von Elektretmikrophonen. (Siehe Wikipedia: Elektretmikrophon)
  7. ↑ Der Begriff "Influenz" beschreibt die Veränderung eines Gegenstandes in der Nähe von elektrischen oder magnetischen Ladungen. Man kann also von elektrischer oder magnetischer Influenz sprechen. Bei Magneten hat sich zusätzlich der Begriff der Magnetisierung eingebürgert. Von "Elektrisierung" dagegen spricht man im physikalischen Sinne nicht. Dieser Begriff wird eher umgangssprachlich für eine Verschiebung der elektrischen Ladung benutzt.


Links

Elektrostatik

Magnetostatik

Gravitation

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