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

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Inhaltsverzeichnis

Versuche und Beispiele


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

Zwei Gegenstände haben eine Wechselwirkung. 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].

  • Die (schwere) Masse (Latex: m in Kilogramm, Latex: \rm kg)
Alle Gegenstände mit einer (schweren) Masse , werden gegenseitig angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)
  • Die elektrische Ladung (Latex: Q in "Coulomb", Latex: 1\,\rm C=1\,\rm A\,s), die positiv oder negativ sein kann.
Elektrisch gleichnamige Gegenstände werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero und homophob[2] ."))
  • Die magnetische Ladung[3] (Latex: Q_m in "Weber", Latex: 1\,\rm Wb=1\,\rm V\,s), 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 elektrischen oder magnetischen Ladungen oder die Massen sind.
  • Zwei ungleichnamige elektrische oder magnetische Ladungen schwächen sich in ihrer gemeinsamen Wirkung.
  • Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.


Ladungsträger im Atommodell


  • 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 Ladung und Elektronen negative Ladung.
  • Manche Atome (Fe, Co, Ni) 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 drehbar.


Entstehung der Ursachen / Ladungen


  • Um einen Gegenstand elektrisch zu laden muß man 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.


  • 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. (Es ist schwer elektrische Ladung anzuhäufen.)
  • Alle Gegenstände enthalten gleichviel Nord- und Südpolladung.

Nur von der schweren Masse kann man ganz viel anhäufen. In einem großen Abstand wirkt daher nur noch die Gravitation von großen Gegenständen, wie Erde, Mond oder Sonne. Bei einem Magnet heben sich in größerer Entfernung die Wirkung der beiden Pole auf und die elektrische Ladungsanhäufung ist zu klein.

Beweglichkeit/Magnetisierung/Polarisierung/Influenz
  • 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 freibeweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar.

Fehler

  • Es wird 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 Latex: p bezeichnet.
  4. IBM sucht die Super-Festplatte Artikel bei heise online über eine "Super-Festplatte", welche die Magnetisierung einzelner Eisenatome zur Datenspeicherung verwendet.
    Schönes Bild von atomarer Magnetstruktur (Prof. Dr. rer. nat. Dronskowski (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen))


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