Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen): Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 16. Oktober 2015, 19:27 Uhr

Versuche zur Feldstruktur und Feldstärke

Die schwimmende Magnetnadel

Aufbau Eine magnetisierte Stricknadel (Besser ist eine Kette von Neodymmagneten) mit einem Korken wird in ein Wasserbehälter in die Nähe eines Stabmagneten gesetzt. Beobachtung Die Nadel schwimmt in einem Bogen vom Nord- zum Südpol. Erklärung Da der Südpol der Magnetnadel relativ weit entfernt ist, kann man den Nordpol näherungsweise als Monopol ansehen. Er ist der Probekörper im Feld des Stabmagneten. Der Nordpol bewegt sich wegen der großen Reibung im Wasser immer in Richtung der wirkenden Kraft[1] vom Nord- zum Südpol und macht die Feldstruktur sichtbar.

Blick von oben

und von der Seite

Der springende Wattebausch

Bandgenerator und Metallkugel

Aufbau

Der zweite Anschluss eines Bandgenerators wird an eine isolierte Metallkugel angeschlossen. Der Bandgenerator wird gedreht und ein Wattebausch in die Nähe der beiden Kugeln gebracht.

(alternativ: Influenzmaschine mit zwei Metallkugeln)

Beobachtung

Die Watte fliegt immer zwischen den Kugeln hin und her. Anfangs in einem nach oben gekrümmten Bogen, der immer kleiner wird, schließlich auf der direkten Verbindungslinie und schlussendlich auf einer nach unten durchgebogenen Bahn.

Erklärung

Durch den Bandgenerator werden elektrische Ladungen von einer Kugel auf die andere verschoben, sie laden sich positiv und negativ auf. Der Wattebausch lädt sich deshalb an den Metallkugeln positiv bzw. negativ auf. Ist er positiv geladen, wird er von der positiven Kugel zur negativen gezogen, sonst umgekehrt.

Die Watte ist also ein Probekörper in diesem elektrischen Feld. (Allerdings teilweise entgegen der Festlegung auch negativ geladen.) Die Bewegungsrichtung der Watte gibt, weil der Luftwiderstand groß ist, gerade die Kraftrichtung an. Man erkennt an den gekrümmten Flugbahnen die Strukturierung des Feldes.

Mit der Zeit entladen sich die beiden Kugeln, wodurch das Feld schwächer wird und die Kraft auf die Watte nicht mehr stark genung ist, um das Gewicht der Watte aufzuheben. Die Entladung geschieht direkt an die Luft, aber auch durch die Watte, die ja immer positive Ladung zur negativen Kugel und umgekehrt transportiert.

Die gesamte Anordnung ist somit eine Art von elektrostatischem Motor,der die verschobenen Ladungen als Energiequelle nutzt und die Energie auf die bewegte Watte umlädt.

Die Federwaage

Einfache Federwaage

Aufbau

Man hängt ein Gewicht an eine Feder.

Beobachtung

Die Feder dehnt sich und hängt nach unten. Die Feder zeigt offensichtlich zum Erdmittelpunkt hin. (Sie wird auf Meereshöhe, auf dem Mount Everest oder auf dem Mond unterschiedlich stark gedehnt.)

Erklärung

• Das Gewicht ist ein Probekörper im Gravitationsfeld. Die Feder zeigt die Richtung und die Stärke ("Dichte") des Feldes an.

Definition der Probekörper

Obwohl Feldtheorien, insbesondere die Theorie über elektro-magnetische Felder von Maxwell, die mechanische Sichtweise der Physik geändert haben, arbeiten sie doch mit mechanischen Grundlagen.

Um die Struktur und Stärke eines Feldes zu untersuchen, benutzt man sogenannte Probekörper und bestimmt die Kraftwirkung. Eine starke Kraftwirkung an einer Stelle läßt auf ein dort starkes Feld schließen, außerdem findet man die Kraftrichtung heraus.

Gravitationsfelder untersucht man mit einem Gegenstand, der eine Masse hat (Welcher hat das nicht ;), elektrische Felder mit einem positiv geladenen Gegenstand und Magnetfelder mit einem isolierten Nordpol.

Bei dem Vorgehen zieht man sich wie Mönchhausen aus dem Sumpf, weil das zu untersuchende Feld sich durch den Probekörper verändert. Diese Veränderung ist klein, wenn der Probekörper "klein" ist, also zB. eine kleine Masse hat^[2].

Das elektrische und magnetische Feld kann man auch mit Probekörpern untersuchen, die Dipole sind. Im magnetischen Fall ist das sogar die einzige Möglichkeit, da es keine vollständig isolierten Monopole gibt. (Vgl. Wikipedia: magnetische Monopole) Durch eine große Entfernung zwischen Nord- und Südpol läßt sich ein singulärer Nordpol experimentell annähern. Gedanklich kann man sich einen Monopol vorstellen und zu nutze machen, ob es ihn gibt oder nicht.

• 

  Ein Probenordpol im Feld eines Stabmagneten.

• 

  Eine positive Probeladung im Feld einer geladenen Kugel.

• 

  Eine Probemasse im Schwerefeld der Erde.

Fußnoten

1. ↑ Bei geringer Reibung verläuft die Bahn des Probepols wegen der Trägheit des Korkens und der Magnetkette nicht auf einer Feldlinie. Der große Korken erzeugt eine relativ große Reibung und ist auch deshalb günstig.
2. ↑ "But if the body is very small and its charge also very small, the electrification of the other bodies will not be sensibly disturbed, and we may consider the body as indicating by its centre of gravity a certain point of the field." (Maxwell: A Treatise on Electricity and Magnetism, Chapter One, Description of phenomena, [44] )

Links

• Wikipedia: Magnetostatik Hier wir die magnetische Polstärke angesprochen.
• Wikipedia: magnetische Monopole