Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)
(Kursstufe > Grundlagen elektrischer, magnetischer und schwerer Felder)
Inhaltsverzeichnis
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.
Die Magnetkette und der Korken.
Blick von oben
und von der Seite
Beobachtung
Die Magnetkette 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.
Der springende Wattebausch
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
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, bringt man sogenannte Probekörper in das zu untersuchende Feld.
Gravitationsfelder untersucht man mit einem Gegenstand, der eine Masse hat (Welcher hat das nicht ;), elektrische Felder mit einem positiv geladenen Gegenstand und Magnetfelder mit dem Nordpol eines Magneten.
Weil man das Feld an einem Punkt untersuchen will, muss der Probekörper eine geringe räumliche Ausdehnung haben. Idealisierte Probekörper, die keine Ausdehnung haben, aber trotzdem eine Ladung tragen, nennt man auch Punktladungen oder Massenpunkte.
- Bestimmt man die Kraft auf den Probekörper, so läßt eine große Kraftwirkung an einer Stelle auf ein dort "starkes" oder "dichtes" Feld schließen, die Richtung der Kraft zeigt die lokale Struktur des Feldes an. Mit Hilfe der Kraftwirkung legt man die Feldstärke fest.
- Man kann auch den Energieaufwand messen, den man benötigt, um den Probekörper von einer Stelle des Feldes zu einer anderen Stelle zu transportieren. So kann man dem Probekörper eine potentielle Energie zuordnen und dem Feld ein Potential.
Bei dem Vorgehen verändert man durch den Probekörper allerdings das zu untersuchende Feld und influenziert eventuell auch die felderzeugenden Gegenstände.
Die Veränderung des Feldes ist eine unmittelbare Folge der Ladung oder Masse des Probekörpers und somit nicht zu verhindern.
Bei elektrischen oder magnetischen Probekörpern kann es durch Ladungsverschiebungen zu einer Influenz der felderzeugenden Gegenstände kommen, wodurch sich auch das Feld verändert. Dies ist zum Beispiel bei geladenen Metallkugeln der Fall oder bei Kompassnadeln. Da es keine Influenz von Massen gibt, ist dies bei Gravitationsfeldern ausgeschlossen.
Die Veränderung durch den Probekörper ist klein, wenn der Probekörper "klein" ist, also eine geringe räumliche Ausdehnung hat und nur wenig elektrische (schwere oder magnetische) Ladung trägt, wie Maxwell bemerkt:
- "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."[2]
In dieser Form der Feldtheorie unterscheidet man also zwischen den "großen" felderzeugenden Gegenständen und den "kleinen" Probekörpern. Ein exaktes Ergebnis erreicht man durch die Betrachtung des Grenzwertes für Probekörper, deren Ausdehnung und Ladung gegen Null geht, wie in der Differential- und Integralrechnung.
Die Kraftwirkung auf Probenordpole im Feld eines Stabmagneten.
Positive Probeladungen im Feld einer geladenen Kugel.
Eine Probemasse im Gravitationsfeld der Erde wird längs eines Weges "angehoben".
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.
Fußnoten
- ↑ 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.
- ↑ (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
