Felduntersuchung mit Probekörpern (Monopolen)
Obwohl Feldtheorien, insbesondere die Theorie über elektro-magnetische Felder von Maxwell, die mechanistische 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. Es wird sich aber zeigen, dass die Größe des Probekörpers für die Untersuchung gar keine Rolle spielt.[1]
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.
Inhaltsverzeichnis
Versuche zur Feldstruktur und Feldstärke
Die Federwaage
Aufbau
Man hängt ein Gewicht an eine Feder.
Beobachtung
Die Feder dehnt sich und hängt nach unten, bei zwei Gewichten ist die Verlängerung der Feder auch doppelt so groß. 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 des Feldes an.
- Die wirkende Kraft ist proportional zur schweren Masse des Probekörpers, bei halber Masse ist die Kraft auch halb so groß: [math]F \sim m [/math]
- Die Kraft pro Masse ("normierte Kraftwirkung") ist also nur vom Ort abhängig und ein Maß für die Stärke des Feldes.
Die Feldstärke des Gravitationsfeldes ist der Ortsfaktor [math]\vec g=\frac{\vec F}{m}[/math].
Ortsfaktor für das elektrische und magnetische Feld.
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 wie die Watte immer in Richtung der wirkenden Kraft vom Nord zum Südpol und macht die Feldstruktur sichtbar.
Messung der Kraftwirkung
Aufbau
Der Nordpol eines langen Stabmagnets ist an einem Kraftsensor befestigt. Man bringt den Nordpol in das Feld eines anderen Stabmagneten und misst die auftretenden Kräfte in Stärke und Richtung. (Der Sensor misst die immer nur die Kraftkomponente in einer Richtung.)
Man "verdoppelt" den Probenordpol durch einen zweiten Stabmagneten.
Beobachtung
- Bei der halben Probeladung misst man die halbe Kraftwirkung: [math]F \sim Q_m[/math]
Erklärung
- Die Kraft pro magnetischer Ladung ("normierte Kraftwirkung") ist also nur vom Ort abhängig und ein Maß für die Stärke des Feldes.
Die Feldstärke des Magnetfeldes ist der Ortsfaktor [math]\vec H=\frac{\vec F}{Q_m}[/math].
Hier bleibt zunächst die Frage offen, wie man magnetische Ladungen messen soll. Dies wird erst mit Hilfe des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule gelingen.
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.
Influenzmaschine mit zwei Metallkugeln.
Bandgenerator und Metallkugel
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.
Messung der elektrischen Kraftwirkung
Aufbau
Zwei Kugeln, aufladen, Kraft mit Sensor messen, Ladung über abfließenden Strom mit Messverstärker.
Beobachtung
- Bei der halben Probeladung misst man die halbe Kraftwirkung: [math]F \sim Q[/math]
Erklärung
- Die Kraft pro elektrischer Ladung ("normierte Kraftwirkung") ist also nur vom Ort abhängig und ein Maß für die Stärke des Feldes.
Die Feldstärke des elektrischen Feldes ist der Ortsfaktor [math]\vec H=\frac{\vec F}{Q}[/math].
o Konzept des Probekörpers
o Stetige Verkleinerung des Probekörpers: Kraft proportional zur Masse!
o Unabhängigkeit von der Größe des Probekörpers (Nachträgliche Begründung zum Einsatz eines Probekörpers: Feld wird verändert, aber man misst trotzdem die Feldstärke des ungestörten Feldes!)
o G=F/m Feldstärke ist normierte Kraftwirkung!
Aufgaben
- Gegeben ist Feldstärke: G=5 N/kg und Masse: 50kg -> Kraft?
- Gegeben ist Kraft 20N und Masse 5kg -> Feldstärke?
Ebenso E und H.
Fußnoten
- ↑ "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. The force acting on the body will then be proportional to its charge, and will be reversed when the charge is reversed." (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
