Feldenergie (qualitativ)
(Kursstufe > Grundlagen elektrischer, magnetischer und schwerer Felder)
Inhaltsverzeichnis
Beispiele
Dieses Fahrrad hat ein Rücklicht mit Standlichtfunktion. Wie speichert es die Energie?
Der Schluchsee wird als Speicherbecken für ein Pumpspeicherkraftwerk genutzt. Wozu benötigt man Pumpspeicherkraftwerke?
Eine Infotafel der Schluchseewerk AG.
Wo genau wird die Energie bei einem solchen Kraftwerk gespeichert?
Der Maschinenraum eines der Kraftwerke bei Bad Säckingen
Versuche
Die magnetische Kanone
Aufbau
a) Eine Reihe von Stahlkugeln liegt auf einer Bahn. Eine Kugel wird auf die ruhenden Kugeln gerollt.
b) Eine der ruhenden Kugeln wird durch eine magnetische Kugel ausgetauscht. Wieder rollt eine Kugel auf die ruhenden.
Beobachtung
a) Die rollende Kugel bleibt liegen und die letzte der ruhendenden Kugeln rollt in etwa mit der Geschwindigkeit der vorher rollenden Kugel davon.
b) Die rollende Kugel bleibt stehen. Die letzte Kugel rollt mit hoher Geschwindigkeit weg.
Interpretation
a) Die rollende Kugel gibt ihren Impuls und ihre Energie an die letzte Kugel weiter.
b) Offensichtlich hat die wegrollende Kugel mehr Energie als beim ersten Versuch (a). Das Magnetfeld zwischen der rollenden und der magnetischen Kugel zieht sich zusammen und beschleunigt so die Kugel. Dadurch erhält sie zusätzlich Impuls und Energie. Aber wo kommt die Energie für die Beschleunigung her?
Wenn man die hingerollte Kugel für einen erneuten Durchgang entfernen will, so muß man Energie aufwenden. (Es wirkt eine Kraft längs eines Weges.) Diese Energie stammt aus dem ziehenden/drückenden Menschen. Aber wo steckt sie nun? In der weggezogenen Stahlkugel? Das ist eher unwahrscheinlich, denn diese Kugel unterscheidet sich nicht von den anderen Stahlkugeln, weder in Temperatur noch Geschwindigkeit noch sonst einer Eigenschaft. Das Einzige, was sich beim Wegziehen geändert hat ist das Magnetfeld!
Die Energie kann nur aus dem Magnetfeld stammen, das sich durch die Annäherung der rollenden Kugel verändert.
Das ist auch sehr einsichtig, wenn man Nord- und Südpolladung zweier Magnete zusammenbringt und dann wieder entfernt. "Kleben" die Ladungen aneinander, so gibt es fast kein Feld. Durch das Auseinanderziehen entsteht immer mehr Feld und dafür wird Energie benötigt.
Kondensator auseinanderziehen
Das ist die elektrische Parallele zum Auseinanderziehen von Nord- und Südpol eines Magneten.
Felder sind Energieträger / Energiespeicher
- Die Lageenergie eines Gegenstandes ist im Gravitationsfeld gespeichert.
- Elektrische Energie ist im elektrischen Feld gespeichert.
- Magnetische Energie ist im Magnetfeld gespeichert.
In ein Feld kann man durch Auseinanderziehen oder durch Zusammendrücken Energie hineinstecken:
- Beim Auseinanderziehen des Feldes zwischen Nord- und Südpolladungen oder positiven und negativen Ladungen oder von zwei schweren Massen.
- Beim Zusammendrücken des Feldes zwischen gleichnamigen elektrischen oder magnetischen Ladungen.
Beim Auseinanderziehen entsteht neues Feld.
Durch das Zusammendrücken steht das Feld unter einer größeren Druckspannung und enthält mehr Energie.
Das spielt auch in der Diskussion um die Nah- oder Fernwirkungstheorie eine Rolle. Wenn Felder Energie speichern, dann sind sie mehr als nur eine anschauliche Hilfe oder eine Rechengröße. Sie sind ein realer Gegenstand, den man physikalisch untersuchen kann.
In der Beschreibung von Wechselwirkungen kommt dies zum Ausdruck: Das Feld drückt zwei Gegenstände voneinander weg oder zieht sie aufeinander zu. Es ist "aktiv", weil es der Energielieferant ist.
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Alle Felder (schwere, elektrische und magnetische) enthalten Energie. Nicht die Gegenstände, die mit ihrer Ladung ein Feld hervorbringen speichern die Energie, sondern das sie umgebende Feld. |
Links
- Video eines magnetischen Beschleunigers (Magnetic Accelerator) von der Saint Mary's University Physics & Astronomy.
- Video eines magnetischen Beschleunigers. ("Magnetic Cannon" von explorabox)
