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| − | __NOTOC__
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| − | ==Der Begriff des Feldes in der Geschichte der Physik==
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| − | ;Titus Lucretius Carus (Lucrez) (ca. 99-55 v.Chr.):
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| − | :"Lucrez erinnert zuerst an die beständigen, äußerst schnellen und stürmischen Bewegungen der feinen Atome, die in den Poren aller Körper zirkulieren und von ihrer Oberfläche ausstrahlen. Jeder Körper sendet nach dieser Anschauung nach allen Seiten Ströme solcher Atome, welche eine unaufhörliche Wechselwirkung zwischen allen Gegenständen im Raume herstellen. [...] Lucrez lehrt uns, daß vom Magneten eine so heftige Ausströmung stattfindet, daß sie ''durch Verdrängung der Luft einen leeren Raum zwischen dem Magneten und dem Eisen bewirkt'', in welchen dieses hineinstürzt. [...] jene Wirkung [soll] dadurch hervorgebracht werden, daß jeder Körper beständig von allen Seiten von Stößen der Luftatome getroffen wird und daher nach derjenigen Richtung weichen muß, in welcher eine Lücke sich bietet, wenn nicht entweder sein Gewicht zu groß, oder dagegen seine Dichtigkeit so gering ist, daß die Luftströme unbehindert durch die Poren des Körpers ihren Weg nehmen können. Hieraus wird uns denn auch klargemacht, weshalb gerade das Eisen so heftig vom Magnet angezogen wird. Unser Lehrgedicht führt dies einfach auf seine Struktur und sein spezifisches Gewicht zurück, indem die übrigen Körper teils, wie das Gold, zu schwer seien, um durch jene Ströme bewegt und durch den luftleeren Raum an den Magnetstein herangedrängt zu werden, teils, wie das Holz, so porös, daß die Ströme frei und also ohne mechanischen Anstoß hindurchfliegen können."<ref>[http://www.anova.at/1sitemap/Philosophie/38-Lange,%20Friedrich%20Albert%20-%20Geschichte%20des%20Materialismus.pdf#page=1&zoom=auto,-13,800 Friedrich Albert Lange: Geschichte des Materialismus und Kritik seiner Bedeutung in der Gegenwart, 1873], S. 218 </ref>
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| − | Lucrez erklärt die anziehende Wirkung zwischen einem Magneten und einem Stück Eisen mit Hilfe der Luft im Zwischenraum. Als Anhänger der philosophischen Richtung des Atomismus ist es die vom Magneten ausgehende Auströmung von Atomen, welche die Luft verdrängt und so einen leeren Raum schafft, in welchen das Eisenstück hineinfällt.
| + | ==Aufgaben zu Energieverlust und Wirkungsgrad== |
| − | <br/>Unklar bleibt, wie in dieser Theorie die abstoßende Wirkung von zwei verschiedenen Polen erklärt werden soll. Heute wissen wir, dass es auch im luftleeren Raum eine magnetische Wirkung gibt. | + | '''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>." |
| | + | :Was ist damit gemeint? |
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| − | ;Averröes (1126-1198):
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| − | :"Der Magnet ''verändert'' die Teile des ''Mediums'', z.B. Luft oder Wasser, wenn er sie berührt, und diese verändern dann die nächsten Teile und so weiter, bis der Magnetismus das Eisen erreicht, in dem eine Wirkkraft hervorgerufen wird, die verursacht, dass es sich dem Magneten nähert."
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| − | Ähnlich wie Lucrez ist es für Averröes das Medium zwischen Magnet und Eisen, dass die Wirkung ausgehend vom Magneten an das Eisenstück weiterleitet.
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| − | ;René Descartes (1596-1650):
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| | + | '''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt. |
| | + | :'''a)''' Wie geht die meiste Energie der Kohle "verloren"? |
| | + | :'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher? |
| | + | :'''c)''' Bei einem Kraftwerk mit "Kraft-Wärme-Kopplung" werden die umliegenden Gebäude durch die Wärme des Kraftwerks geheizt und mit warmem Wasser versorgt. Durch große Rohre wird diese "Fernwärme" bis in die Häuser geleitet. Kleinere Anlagen werden auch "Blockheizkraftwerk" genannt. |
| | + | :Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist? |
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| − | [[Datei:Descartes_Aetherwirbel.jpg|thumb|Der Äther transportiert mit Wirbeln die Planeten um die Sonne.]] | + | [[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]] |
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| − | [[Datei:Descartes_magnetic_field.jpg|thumb|300px|Descartes Darstellung des Erdmagnetfeldes.]]
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| − | <br style="clear: both" /> | + | '''3)''' Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert. ([[Energieverluste_und_der_Wirkungsgrad_von_Energiewandlern#Wirkungsgrad|Tabelle von Wirkungsgraden]]) |
| | + | <br/>Fährt zum Beispiel ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so wird die Energie zuerst von der Weizenpflanze von Licht auf das Weizenkorn umgeladen. Der Mensch lädt die Energie des Korns auf die Bewegung um: |
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| − | Für Descartes gibt es keinen leeren Raum. Auch der Raum um die Planeten ist mit einem besonderem Medium gefüllt, das "Äther" heißt. Er ging noch davon aus, dass auch Gegenstände mit konstanter Geschwindigkeit einen Antrieb benötigen. Die Planeten werden deswegen durch die Wirbelbewegung des Äthers um die Sonne bewegt, ähnlich wie Blätter auf einer Wasseroberfläche.<ref>fünftes Element von Aristoteles, Kreisbewegung Kraftrichtung und Energie????</ref>
| + | [[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]] |
| | + | :<math> 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%</math> |
| | + | Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen. |
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| − | ;Isaac Newton (1642-1726):
| + | '''a)''' Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von: |
| − | :„Es ist undenkbar, dass leblose, rohe Materie auf andere […] Materie wirken sollte, ohne direkten Kontakt und ohne die Vermittlung von etwas anderem, das nicht materiell ist. Dass die Gravitation eine angeborene, inhärente und wesentliche (Eigenschaft) der Materie sein soll, so dass ein Körper auf einen anderen über eine Entfernung durch Vakuum hindurch und ohne die Vermittlung von etwas Sonstigem wirken soll, […], ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, kein Mensch, der eine in philosophischen Dingen geschulte Denkfähigkeit hat, kann sich dem jemals anschließen. ''Gravitation muss durch einen Vermittler erzeugt werden, welcher gleichmäßig nach bestimmten Gesetzen wirkt. Aber ob dieser Vermittler materiell oder immateriell ist, habe ich der Überlegung meiner Leser überlassen''.“
| + | #einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird. |
| | + | #der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe. |
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| − | :(Brief von Isaac Newton an Richard Bentley von 1692/1693 - in: Herbert Westren Turnbull, The correspondence of Isaac Newton 1961, Vol. III, S. 253-254) <ref>„It is unconceivable that inanimate brute matter should (without the mediation of something else which is not material) operate upon and affect other matter without mutual contact; as it must if gravitation in the sense of Epicurus be essential and inherent in it. And this is one reason why I desired you would not ascribe innate gravity to me. That gravity should be innate inherent and essential to matter so that one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of any thing else by and through which their action or force may be conveyed from one to another is to me so great an absurdity that I believe no man who has in philosophical matters any competent faculty of thinking can ever fall into it. Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws, but whether this agent be material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers.“
| + | '''b)''' Vergleiche den Wirkungsgrad von: |
| | + | #einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt. |
| | + | #einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird. |
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| − | zitiert nach Wikipedia: [https://de.wikipedia.org/wiki/Nahwirkung_und_Fernwirkung#Fernwirkung_im_Newtonschen_Gravitationsgesetz Nahwirkung und Fernwirkung]</ref>
| + | ==Energie im Haushalt== |
| | + | '''1) Energie sparen im Haushalt''' |
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| − | Newton gibt offen zu, dass er nicht weiß wie die Gravitationswirkung zwischen den Himmelskörpern vermittelt wird.
| + | In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto. |
| − | <br/>Für ihn ist aber aus philosophischer Sicht klar, dass es einen solchen materiellen oder immateriellen Vermittler der Wechselwirkung geben muss.
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| | + | *Zeichne ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger. (Infos im Artikel: [https://www.ndr.de/ratgeber/klimawandel/CO2-Ausstoss-in-Deutschland-Sektoren,kohlendioxid146.html Energiebedarf in Deutschland]) |
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| − | ;Michael Faraday (1791–1867):
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| − | :"Viele Kräfte wirken offenbar aus der Ferne; ihre physikalische Natur ist uns unverständlich. Trotzdem können wir viel Wahres und Sicheres über sie erfahren, unter anderem über die Eigenschaften des Raumes zwischen dem Körper, der wirkt, und dem, auf den gewirkt wird, oder zwischen zwei aufeinander wirkenden Körpern. Derartige Kräfte werden uns in Erscheinungen wie Schwerkraft, Licht, Elektrizität, Magnetismus usw. offenbart. [...]
| + | '''2) Energiemengen und Kosten berechnen''' |
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| − | :[...] um den Magneten herum, und durch diesen erhalten muß ein Zustand bestanden haben, [...] der die physikalische Beschaffenheit der magnetischen Kraftlinien beweist. Worin dieser Zustand besteht oder wovon er abhängt, kann man noch nicht sagen. Möglicherweise hängt er, wie ein Lichtstrahl, vom Äther ab;[...] Vielleicht hängt er von einem Spannungs- oder Schwingungszustand ab[...] Experimentell genommen ''ist der bloße Raum magnetisch'', aber in diesem Fall muß der Begriff eines bloßen Raumes ''auch'' denjenigen des ''Äthers'' einschließen; [...]"<ref>"Über die physikalischen Linien der magnetischen Kraft (1855)", zitiert nach [[Exzerpte_der_physik-geschichtlichen_Literatur#Titel|Sambursky]], S. 533-537</ref>
| + | Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent. |
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| − | Faraday versucht, ähnlich wie Descartes, eine mechanische Erklärung zu finden. Der Raum ist nicht leer, sondern mit einer dünnen Materie, dem Äther, angefüllt. Für ihn ist klar, dass Licht eine Veränderung des Äthers ist. Durch die Weitergabe von Spannungs- oder Schwingungszuständen kann der Äther auch magnetische, elektrische und Gravitationswirkungen vermitteln, ähnlich wie bei mechanischen Wellen.
| + | *Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten? |
| | + | *Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr? |
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| − | ;James Clerk Maxwell (1831-1879):
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| − | :"Die Phänomene Licht und Wärme geben Grund zur Annahme, dass es einen ätherischen Stoff gibt, der den Raum füllt und Körper durchdringt, der in der Lage ist in Bewegung versetzt zu werden, diese Bewegung von einem Teil zum nächsten weiterzuleiten und diese Bewegung auf grobe Materie zu übertragen um sie zu erwärmen und in vielerlei Hinsicht zu beeinflussen.
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| − | :Also muss die bei der Erwärmung des Körpers übertragene Energie vorher in dem bewegten Medium gewesen sein, denn die Schwingungen verließen die Wärmequelle einige Zeit bevor sie den Körper erreichten, und in dieser Zeitspanne muss die Energie zur Häfte als Bewegungsenergie des Mediums und zur Hälfte als Spannenergie vorgelegen haben."<ref>"We have therefore some reason to believe, from the phenomena of light and heat, that there is an ethereal medium filling space and permeating bodies, capable of being set in motion and of transmitting that motion from one part to another, and of communicating that motion to gross matter so as to heat it and affect it in various ways.<br/>Now the energy communicated to the body in heating it must have formerly existed in the moving medium, for the undulations had left the source of heat some time before they reached the body, and during that time the energy must have been half in the form of motion of the medium and half in the form of elastic resilience." Aus: "[https://en.wikisource.org/wiki/Page%3AA_Dynamical_Theory_of_the_Electromagnetic_Field.pdf/2 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field]", 1864. S. 460</ref>
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| − | In dieser frühen Arbeit von Maxwell sieht auch er den Äther als Übertragungsmedium der elektromagnetischen Wellen. Er betont die Rolle des schwingenden Äthers als Energieträger, in dem die Energie zwischen der Aussendung und Absorption von Wärmestrahlung als Bewegunsenergie und Spannenergie vorliegt.
| + | '''3) Verschiedene Lichtquellen''' |
| − | <br/>Maxwell ging bei der Entwicklung seiner Theorie der elektromagnetischen Felder von mechanischen Modellen aus. Später beließ er es bei einer rein mathematischen Beschreibung der Phänomene.<ref>Vgl. [[Exzerpte_der_physik-geschichtlichen_Literatur#Titel|Sim]], S. 345</ref>
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| − | Albert Einstein beschreibt die neue Sicht auf Felder in der Maxwellschen Theorie so:
| + | Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat. |
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| − | :"Bei Faradays Experiment ist ein Draht erforderlich, der für das elektrische Feld zeugen kann, wie ja auch bei Örsteds Versuch ein Magnetpol oder eine Magnetnadel zum Nachweis des magnetischen Feldes gebraucht wird. Maxwells neues Theorem greift nun aber weit über diese Erfahrungstatsachen hinaus. Elektrisches und magnetisches Feld sind - oder, kürzer ausgedrückt: das ''elektromagnetische'' Feld ist nach Maxwells Theorie etwas Reales. Das elektrische Feld wird durch ein veränderliches magnetisches erzeugt, ganz gleich, ob nun ein Draht vorhanden ist, mit dem es sich nachweisen läßt, oder nicht. Ein magnetisches Feld wiederum wird durch ein veränderliches elektrisches Feld hervorgerufen, auch wenn kein Magnetpol da ist, der das anzeigt."<ref>Albert Einstein, aus: [[Literatur/Links#Geschichte_der_Physik|[Ein1938]]] S.99</ref>
| + | *Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer. |
| − | :"Das elektromagnetische Feld ist für den modernen Physiker nicht minder wirklich als der Stuhl, auf dem er sitzt."<ref>Albert Einstein, aus: [[Literatur/Links#Geschichte_der_Physik|[Ein1938]]] S.103</ref>
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| − | ;Albert Einstein (1879-1955): Gravitation durch Krümmung der 4dim Raum-Zeit
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| − | ;Quantenfeldtheorie: (Feynman),
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| − | ==Nah- und Fernwirkungstheorien==
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Wechselwirkung.png|thumb]]
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| − | Zwei Gegenstände haben eine Wechselwirkung.
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| − | Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie Impuls austauschen. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.
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| − | Die Wechselwirkung zwischen zwei Gegenständen läßt sich auf verschiedene Arten beschreiben.
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| − | Je nach Situation sind sie aber unterschiedlich gut zur Beschreibung geeignet.
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| − | Die Fernwirkungstheorie hat schon Newton aus philosophischen Gründen abgelehnt.
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| − | Nur die Nahwirkungstheorie kann auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Wirkung beschreiben.
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Fernwirkung.png|thumb]]
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| − | ===Fernwirkungstheorie===
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| − | Dies ist die zunächst einfachste der Beschreibungsmöglichkeiten. Zwei Gegenstände ziehen sich gegenseitig an oder stoßen sich ab. Es wirken zwei entgegengesetzte Kräfte, die den Impuls jeweils verändern. In dieser Beschreibung der [[Schwere,_Elektrische_und_Magnetische_Wechselwirkung_(Gravitation,_Elektrostatik,_Magnetostatik)#Eigenschaften_von_schwerer.2C_elektrischer_und_magnetischer_Wechselwirkung|Gravitation, der Elektrostatik oder der Magnetostatik]] betrachtet man nur die Eigenschaften der Materie.
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| − | ;Beispiele für Formulierungen
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| − | * Sonne und Erde ziehen sich an. | + | |
| − | * Der elektrisch positiv geladene Körper und der negativ geladene stoßen sich ab.
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| − | * Nord- und Südpol eines Magneten ziehen sich an.
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| − | * Gegenstände mit schwerer Masse ziehen sich an.
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| − | * Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an.
| + | |
| − | * Gleichnamige magnetische Ladungen<ref name="mLadung">Die magnetische Ladung wird auch als [http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostatik Polstärke <math>p</math>] bezeichnet.</ref> stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an
| + | |
| − | * Je größer der Abstand, desto kleiner die wirkenden Kräfte. ([[Das Zentralfeld und die Abstandsgesetze (Gravitationsgesetz, Coulomb-Gesetz, magnetisches Coulomb-Gesetz)|Abstandsgesetze]]: Coulomb, Gravitationsgesetz, magnetisches Coulombgesetz)
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| − | Diese Beschreibungen passen gut zu einer einfachen Vorstellung des atomaren Aufbaus von Materie aus negativen Elektronen und positiven Atomkernen.
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| − | Viele Experimente der Elektrostatik und Magnetostatik lassen sich damit erklären.
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| − | Aus philosophischer Sicht ist es schwer zu verstehen, wie eine Wirkung ohne Vermittlung über große Distanzen, zB. zwischen Sonne und Erde, übertragen werden soll.
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| − | Physikalisch ergibt sich weiterhin das Problem der sofortigen Wirkung ohne Zeitverzögerung auch auf große Distanzen. Dies ist messbar falsch.
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| − | ===Nahwirkungstheorie / Feldtheorie===
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| − | * Um eine elektrische Ladung befindet sich ein elektrisches Feld .
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| − | * Um eine magnetische Ladung (Magnetische Dipole) befindet sich ein magnetisches Feld.
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| − | * Um eine schwere Masse befindet sich ein Gravitationsfeld.
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| − | ====Probekörper im Feld====
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Probekörper_vereinfacht.png|thumb|Wie bei der Gewichtskraft im Schwerefeld der Erde wird häufig die Kraft auf den "felderzeugenden, großen" Gegenstand vernachlässigt.]]
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Probekörper.png|thumb|Eigentlich gibt es natürlich die Gegenkraft auf den "großen" Gegenstand.]]
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| − | Ein "relativ kleiner" Gegenstand befindet sich im Feld eines "relativ großen" Gegenstandes. Das Feld des "großen" Gegenstandes übermittelt die Wirkung und ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark. Das macht Sinn, weil der Probekörper "klein" ist und deshalb das Feld des "Großen" nicht stark verändert.
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| − | Exakt wird die Vorstellung eines "kleinen" Probekörper durch die Betrachtung des Grenzwertes der Kraftwirkung für immer kleinere Probekörper, wie in der Differential- und Integralrechnung.
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| − | ;Beispiele für Formulierungen
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| − | *Das Gravitationsfeld der Erde ist auf Meereshöhe stärker als in 8000m Höhe, weshalb die Anziehungskraft auf einen Apfel auch unterschiedlich ist.
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| − | *Um eine geriebene Schallplatte ist ein elektrisches Feld. Ein elektrisch geladenes Staubteilchen erfährt in dem Feld eine Kraftwirkung.
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| − | *Um einen Stabmagnet befindet sich ein Feld. Auf den Nord- oder Südpol eines anderen Magneten wirkt deshalb eine Kraft.
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| − | *Das Gravitationsfeld der Erde / das elektrische Feld der Schallplatte / das Magnetfeld des Stabmagneten wird mit zunehmendem Abstand schwächer.
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| − | In dieser Sichtweise vernachlässigt man häufig die Wirkung auf den großen Gegenstand, weil sie aufgrund der großen Masse sehr gering ist.
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| − | Einen Probekörper benötigt man, um ein [[Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)|Feld an einer Stelle zu untersuchen]] und so die [[Die Feldstärke als gerichteter Ortsfaktor|Feldstärke]] und das [[Das Potential eines Feldes|Potential]] eines Feldes festzulegen.
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| − | Diese Sichtweise ergibt sich auch durch eine andere Interpretation der [[Das Zentralfeld und die Abstandsgesetze (Gravitationsgesetz, Coulomb-Gesetz, magnetisches Coulomb-Gesetz)|Abstandsgesetze]].
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | ====Aktives Feld mit Zug- und Druckspannungen====
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Feld_Kräfte.png|thumb|Das Feld zieht die Gegenstände aufeinander zu...]]
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Feld.png|thumb|bzw. es transportiert Impuls von einem zum anderen Gegenstand.]]
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| − | In dieser Beschreibung rückt das Feld zwischen den Gegenständen in den Mittelpunkt. Alle beteiligten Gegenstände sind gleichberechtigt, es gibt keine "großen" und "kleinen" mehr.
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| − | Das Feld speichert Energie oder gibt sie wieder ab, es drückt (oder zieht) an einem oder mehreren Gegenständen ähnlich einer gespannten Feder.
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| − | ;Beispiele für Formulierungen
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| − | *Das Gravitationsfeld zwischen Erde und Mond zieht beide aufeinander zu.
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| − | *Das elektrische Feld zwischen zwei geriebenen Trinkhalmen drückt sie voneinander weg.
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| − | *Das Magnetfeld zwischen zwei Magneten drückt sie auseinander.
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| − | *Abstandsgesetz: Bei einem großen Abstand zwischen zwei Gegenständen ist das sie verbindende Feld unter einer geringen Zug- oder Druckspannung (Wie bei einem Kaugummi :)
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| − | Die Beschreibung mit dem "aktiven" Feld kann
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| − | *den [[Feldenergie|Energiegehalt eines Feldes]] beschreiben
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| − | *die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feldes beschreiben
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| − | *die wechselseitige Erzeugung von elektrischem und magnetischen Feld (Z.B: bei elektromagnetischen Wellen) beschreiben
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| − | und ist die allgemeinste und somit "richtigste" Beschreibung der Wechselwirkungen.
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| − | Für die Berechnung von wirkenden Kräften ist aber oft die Feldstärke das einfachere Mittel und für Energiemengen das Potential. Beide Begriffe beruhen auf dem Modell der Probeladung.
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | ====Teilchenaustausch====
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| − | [[Datei:Wechselwirkung_Teilchen.png|thumb]]
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| − | In der Quantenfeldtheorie werden die Felder der elektromagnetischen, der starken und der schwachen Wechselwirkung in kleine Pakete geteilt. Der Energieaustausch mit einem Feld kann nur in Portionen erfolgen, die man Teilchen oder Quanten nennt. Diese Wechselwirkungsteilchen sind also kleine Teile eines Feldes, die aufgenommen oder abgegeben werden können. Man sollte sie sich besser nicht als kleine Bälle vorstellen, denn diese Quanten haben Eigenschaften, die in der makroskopischen Welt nicht zu beobachten sind.<ref>Siehe auch die [[Zustandsfunktion, Superpositionsprinzip und Wahrscheinlichkeitsinterpretation beim Doppelspalt (Zeigermodell)|Wahrscheinlichkeitsinterpretation beim Doppelspalt]]</ref>
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| − | Auch das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik ist eine solche Quantenfeldtheorie.<ref>Siehe auch [http://de.wikipedia.org/wiki/Standardmodell Wikipedia: Standardmodell]</ref>
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | ====Gekrümmte Raum-Zeit====
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| − | Speziell die Gravitation kann man als Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit interpretieren. Durch die Masse von Materie und Feldern wird laut allgemeiner Relativitätstheorie der Raum, genauer die Raum-Zeit, in dem sich die Felder und die Materie befinden, gekrümmt.
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| − | Diese Deutung funktioniert bei bei anderen Wechselwirkungen aber nicht. Das Gravitationsfeld ist wiederum noch nicht durch Teilchenaustausch beschrieben worden.<ref>Siehe auch [http://de.wikipedia.org/wiki/Quantengravitation Wikipedia: Quantengravitation]</ref>
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| − | ==Was ist ein Feld?==
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| − | [[Bild:Kraftübertragung.png|thumb|Mind map zur Nah- und Fernwirkung. ([[Media:Kraftübertragung.mm|freemind-Datei)]]]]
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| − | Die Frage ist ebenso schwer zu beantworten, wie die Frage, was denn ein Apfel sei. Im Alltag sind wir von Feldern umgeben und durch ihre Eigenschaften und Wirkungen können wir sie verstehen und beschreiben.
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| − | Ein Feld, dass uns in ganz besonderer Weise vertraut zu sein scheint, ist das Gravitationsfeld. Denn die Anziehungskraft zwischen Gegenständen und der Erde ist unmittelbar spürbar. Magnetfelder sind in ihrer Wirkung ebenso direkt erfahrbar. Elektrische Felder sind dagegen für uns in der Regel zu schwach, um sie direkt zu spüren. Ihre Wirkungen kann man aber in vielfältiger Weise beobachten.
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| − | Wie bei anderen Gegenständen kann man auch bei Feldern viele Eigenschaften messen: den Energiegehalt, die Masse, den Impuls, den Druck, manchmal die Temperatur und andere physikalische Größen. Wie man in der Quantentheorie sehen wird, unterscheiden sich Felder gar nicht so stark von den uns vertrauten materiellen Gegenständen.
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| − | {|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
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| − | Zwischen Gegenständen mit schweren, elektrischen oder magnetischen Ladungen<ref name="mLadung"/>
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| − | befindet sich ein Schwere-, elektrisches oder magnetisches Feld.
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| − | So sind Gegenstände durch den Raum miteinander verbunden,
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| − | sie können eine Wirkung aufeinander ausüben und auch Impuls austauschen.
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| − | Das verbindende Feld kann Energie speichern und sie wieder abgeben
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| − | und sich maximal mit Lichtgeschwindigkeit verändern.
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| − | |}
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| − | [[Datei:Felder_minus_minus_ungleich.png|thumb|Graphische Darstellung eines Gravitationsfeldes um zwei Gegenstände mit anziehender Wirkung.]]
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| − | Dieser kleine platonische Dialog soll die Eigenschaften eines Feldes verdeutlichen:
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| − | *Die wichtigste Eigenschaft eines Feldes ist daher, dass es zwischen Gegenständen wirkt und damit Impuls überträgt.
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| − | :Aha! Also ist ein Feld so etwas wie ein Seil, dass zwischen zwei Dingen gespannt ist und mit dem man Ziehen kann!
| + | |
| − | *Ja, denn z.B. bei Magneten und bei der Erdanziehung kennt man die anziehende Wirkung, aber dennoch "Nein", denn ein Feld kann auch durch Druckspannung zwei Gegenstände auseinanderdrücken. Bei zwei Magneten muss man dazu nur zwei gleiche Pole nähern.
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| − | :Ach so! Dann ist ein Feld also so etwas wie eine Stange!
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| − | *Ja, aber im Unterschied zu einer Stange ist ein Feld in der Regel viel "weicher".
| + | |
| − | :Dann ist ein Feld so etwas wie ein Schwamm zwischen den Dingen, denn bei vielen Feldern kann man drücken und ziehen.
| + | |
| − | *Schon viel besser. Den Schwamm kann man aber längs einer beliebigen Richtung drücken und auseinanderziehen. Das geht bei Feldern nicht. Die kann man nur in einer Richtung auseinanderziehen und quer dazu Zusammendrücken. Sie haben eine innere Struktur, sind sozusagen "gekämmt".
| + | |
| − | :Ein Holzklotz hat auch eine Maserung, so ähnlich?
| + | |
| − | *Ja, genau, oder ein Schwamm der sich längs einer Richtung zusammenzieht und quer dazu auseinanderdrückt. Allerdings ist ein Feld durchsichtig.
| + | |
| − | :Also ein durchsichtiger Schwamm mit Holzmaserung!
| + | |
| − | *Ja, und es hat keine Masse! (Bis auf die enthaltene Energie natürlich.)
| + | |
| − | :Ein durchsichtiger Schwamm ohne Masse?
| + | |
| − | *Ja, und außerdem wird ein Feld, dass man auseinanderzieht, in der Regel immer weicher und nicht fester, wie der Schwamm. Nur beim Zusammendrücken wird es immer fester.
| + | |
| − | :Mmh, da ist es schwierig einen Vergleich zu finden. Vielleicht so wie Knete, die beim Auseinanderziehen immer dünner wird.
| + | |
| − | *Ja, irgendwann hören die Vergleiche auf. Denn Felder kann man nicht direkt anfassen, nicht sehen und doch sind sie es, die alle Dinge miteinander verbinden.
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| − | ===Felder und Materie als Grundbausteine der Welt===
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| − | Für die Physik besteht die Welt aus Feldern und Materie. Egal welches Phänomen oder Ding, ob es um einen Regenbogen, ein gespanntes Gummiseil oder ein Sauerstoffatom handelt, aus Sicht der Physik kann man das immer mit Feldern und Materie beschreiben.
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| − | ===Mathematische Felder===
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| − | Der Begriff "Feld" wird auch im mathematischen Sinne verwendet und bezeichnet dann etwas anderes als ein physikalisches Feld. Das Wort "Feld" ist also ein [https://de.wikipedia.org/wiki/Teekesselchen Teekesselchen].
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| − | Bild:Fuß_Wärmestrahlung_Infrarot.jpg|Das Bild stellt das Temperaturfeld von zwei Füßen dar. Man sieht, wie die Temperatur vom Ort abhängt. In den linken Fuß hat ein Insekt gestochen (Aua!), was man an der lokalen Zunahme der Temperatur erkennen kann.
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| − | Bild:Vektorfeld Windgeschwindigkeit Australien.jpg|Dieses Bild stellt das Vektorfeld der Windgeschwindigkeit über Australien dar. Die Darstellung nutzt die Länge und Richtung von Pfeilen.<ref>Mit freundlicher Genehmigung von [http://www.cc.gatech.edu/~turk/streamlines/streamlines.html Greg Turk] und David Banks </ref>
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| − | Bild:Vektorfeld Blutfluss.png|Mit Hilfe von bunten Pfeilen wird hier die Blutgeschwindigkeit in einem Blutgefäß mit Aneurysma dargestellt.
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| − | Ein Mensch hat zum Beispiel eine unterschiedliche Temperatur an verschiedenen Stellen seines Körpers. Die Zehen und die Nasenspitze sind viel kühler als der Bauch. Die Zuordnung, die jeder Körperstelle ihre Temperatur zuordnet, wird "Feld" genannt.
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| − | Es ist klar, dass die Temperaturverteilung eines Fußes nicht das gleiche ist, wie der Fuß selbst. Die Temperaturverteilung beschreibt lediglich eine Eigenschaft des Fußes. Das schöne bunte Bild ist die graphische Darstellung des Temperaturfeldes.
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| − | Ebenso unterscheidet man ein physikalisches Feld, wie das Gravitationsfeld, von seinen Eigenschaften wie dessen Feldstärke oder Energiedichte. Die Energiedichte ist ein Feld im mathematischen Sinn, dabei ordnet man jeder Stelle des Gravitationsfeldes eine Energiedichte zu.<ref>Die Unterscheidung zwischen dem physikalischen Feld und seinen Eigenschaften wird nicht immer streng eingehalten. Oft wird das physikalische Feld mit einer seiner Eigenschaften, der Feldstärke gleichgesetzt. In vielen Fällen ist das praktisch oder aber verwirrend. Im Wikipedia-Artikel "[https://de.wikipedia.org/wiki/Feld_(Physik) Feld (Physik)]" werden beide Bedeutungen erklärt aber trotzdem auch nebeneinander ohne genauere Abgrenzung verwendet.</ref>
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| − | Die Temperatur an einer Stelle des Fußes hat keine Richtung, sie ist eine skalare Größe. Betrachtet man stattdessen die Geschwindigkeit des Blutes, so hat diese einen Betrag und eine Richtung. Jeder Stelle innerhalb einer Ader wird also eine vektorielle Größe zugeordnet. Deshalb nennt man diese Zuordnung auch ein "Vektorfeld".
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| − | <br>Die Feldstärke des Gravitationsfeldes der Erde ist z.B. ein Vektorfeld, denn jeder Stelle des Gravitationsfeldes wird eine Feldstärke zugeordnet, die eine Stärke und eine Richtung hat.
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| − | {|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
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| − | Im mathematischen Sinn ist ein Feld die Zuordnung von Punkten im Raum zu einer skalaren oder vektoriellen Größe.
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| − | So kann man Eigenschaften von physikalischen Feldern beschreiben.
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | ==[[Aufgaben zu den Grundlagen über Felder#Fern- und Nahwirkungstheorie|Aufgaben]]==
| + | Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90% |
| | + | *Was ist damit gemeint? |
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| | ==Fußnoten== | | ==Fußnoten== |
| | <references /> | | <references /> |
Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto.
Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent.
Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat.
Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90%
