Fern- und Nahwirkungstheorie oder "Was ist ein Feld?"

Grundlegende Versuche und Beispiele

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Ein schwebender Magnet

Beobachtung

Der Magnet sinkt auf den unteren, bis er zum Stehen kommt. Um ihn dem anderen zu nähern, muss man fester drücken.

Wagen stoßen zusammen

Zwei Wagen fahren aufeinander und stoßen zusammen. Zwischen den Wagen befindet sich eine Metallfeder. Dann werden Magnete an den Wagen befestigt und der Zusammenstoß wiederholt.

Beobachtung

Die Wagen nähern sich und stoßen sich voneinander ab. Im Falle der befestigten Magnete, ohne sich zu berühren.

Die Gravitationsdrehwaage

• youtube: gravitationswaageDIVX.AVI
• youtube: Gravity - From Newton to Einstein - The Elegant Universe

Zwei Trinkhalme

Zwei an einem Faden hängende Kunststoff-Trinkhalme werden mit einem Wollappen gerieben.

Beobachtung

Die beiden Halme entfernen sich voneinander.

Die Wirkung ist größer, wenn man stark gerieben hat und läßt mit der Zeit nach.

Ein Gewicht

Das Gewicht wird zum Boden gezogen. Beim kleinen Gewicht ist auch nur eine kleine Kraft nötig, um es zu halten.

Gemischtwarenladen

Aufbau

Man versucht mit dem geriebenen Luftballon eine Wirkung auf den Magneten zu erzielen. Oder mit dem Gewicht auf den geladenen Luftballon.

Beobachtung

Man kann keine Wirkung erkennen!

Der Begriff des Feldes in der Geschichte der Physik

Averoes: Newton: Faraday: Manche sagen, es sei eine Veränderung des Raumes (Äther). , Einstein: Gravitation durch Krümmung der 4dim Raum-Zeit Quantenfeldtheorie: (Feynman),

Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung

Offensichtlich besteht eine Wechselwirkung zwischen jeweils passenden ähnlichen Eigenschaften von Gegenständen. Es gibt drei verschiedene physikalische Eigenschaften, die Wechselwirkungen hervorrufen.

• Viele Gegenstände haben eine positive (schwere) Masse ([math]m[/math] in Kilogramm, kg), eine negative gibt es nicht.
• Manche Gegenstände haben eine positive oder negative elektrische Ladung ([math]Q[/math] in "Coulomb", C).
• Andere tragen magnetische Nordpol- und Südpolladung ([math]Q_m[/math] in "Weber", Wb).

Die Wechselwirkung ist umso größer, je größer die elektrischen oder magnetischen Ladungen oder die Massen sind.

Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.

Nah- und Fernwirkungstheorien

Zwei Gegenstände haben eine Wechselwirkung. Aus einer mechanischen Sichtweise heraus heißt das, dass sie Impuls austauschen. Ein Gegenstand verliert Impuls, der andere Gegenstand erhält den Impuls.

Die Wechselwirkung zwischen zwei Gegenständen läßt sich auf verschiedene Arten beschreiben. Alle Beschreibungen führen rechnerisch zu den gleichen Ergebnissen. Je nach Situation sind sie aber unterschiedlich gut zur Beschreibung geeignet.

Die Fernwirkungstheorie hat schon Newton aus philosophischen Gründen abgelehnt. Nur die Nahwirkungstheorie kann auch die Ausbreitunggeschwindigkeit einer Wirkung beschreiben.

Fernwirkungstheorie

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.

• Sonne und Erde ziehen sich an.
• Der elektrisch positiv geladene Körper und der negativ geladene stoßen sich ab.
• Nord- und Südpol eines Magneten ziehen sich an.
• Schwere Masse ziehen sich an
• Gleichnamigen elektrische Ladungen stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an.
• Gleichnamige magnetische Ladungen stoßen sich ab, Ungleichnamige ziehen sich an
• Je größer der Abstand, desto kleiner die wirkenden Kräfte. (Abstandsgesetze: Coulomb, Gravitationsgesetz, magn Coulombgesetz)

Das passt gut zu einer einfachen Vorstellung des atomaren Aufbaus von Materie aus negativen Elektronen und positiven Atomkernen. Viele Experimente der Elektrostatik und Magnetostatik lassen sich einfach erklären

Aus philosophischer Sicht ist es schwer zu verstehen, wie eine Wirkung ohne Vermittlung über große Distanzen, zB. zwischen Sonne und Erde, übertragen werden soll.

Physikalisch ergibt sich weiterhin das Problem der sofortigen Wirkung ohne Zeitverzögerung auch auf große Distanzen. Dies ist messbar falsch.

Nahwirkungstheorie / Feldtheorie

• Um eine elektrische Ladung befindet sich ein elektrisches Feld .
• Um eine magnetische Ladung (Magnetische Dipole) befindet sich ein magnetisches Feld.
• Um eine schwere Masse befindet sich ein Gravitationsfeld.

Probekörper im Feld

Ein "relativ kleiner" (passiver) Gegenstand befindet sich im Feld eines "relativ großen" (aktiven) Gegenstandes. Das Feld des "großen" Giegenstandes 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.

In dieser Sichtweise vernachlässigt man häufig die Kraftwirkung auf den großen Gegenstand, weil sie aufgrund der großen Masse keine große Wirkung zeigt.

• Das Gravitationsfeld der Erde ist auf Meereshöhe stärker als in 8000m Höhe, weshalb die Anziehungskraft auf einen Apfel auch unterschiedlich ist.
• Um eine geriebene Schallplatte ist ein elektrisches Feld. Ein elektrisch geladenes Staubteilchen erfährt in dem Feld eine Kraftwirkung.
• Um einen Magneten befindet sich ein Feld. Auf den Nord- oder Südpol eines anderen Magneten wirkt deshalb eine Kraft.

• • Ergibt sich durch eine andere Interpretation der Abstandsgesetze.
  • Benötigt man, um ein Feld an einer Stelle zu untersuchen und so auch die Feldstärke festzulegen.
  • Das Feld eines Gegenstandes wird mit zunehmendem Abstand schächer.

"aktives" Feld mit Zug- und Druckspannungen

Das Feld drückt (oder zieht) an einem oder mehreren Gegenständen ähnlich einer gespannten Feder.

• Das Gravitationsfeld zwischen Erde und Mond zieht beide aufeinander zu.
• Das elektrische Feld zwischen zwei geriebenen Trinkhalmen drückt sie voneinander weg.
• Das Magnetfeld zwischen zwei Magneten drückt sie auseinander.
• Abstandsgesetz: Bei einem großen Abstand zwischen zwei Gegenständen ist das sie verbindende Feld unter einer geringen Zug- oder Druckspannung (Wie bei einem Kaugummi :)

Die Beschreibung mit dem "aktiven" Feld kann

• den Energiegehalt eines Feldes beschreiben
• die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feldes beschreiben
• die wechselseitige Erzeugung von elektrischem und magnetischen Feld (Z.B: bei elektromagnetischen Wellen) beschreiben

und ist die allgemeinste und somit "richtigste" Beschreibung der Wechselwirkungen.

Teilchenaustausch

In der Quantenfeldtheorie wird die Wechselwirkung durch den Austausch von Wechselwirkungsteilchen beschrieben.

Gekrümmte Raum-Zeit

Speziell die Gravitation kann man als Krümmung der 4-dimensionalen Raumzeit interpretieren. Das geht bei anderen Wechselwirkungen aber nicht.

Mind map zur Kraftübertragung. (freemind-Datei)

Was ist ein Feld?

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. Ein Versuch ist die Formulierung:

Ein Feld ist ein Ding, dass Gegenstände mit ähnlichen Eigenschaften durch den Raum verbindet.
So sind Gegenstände die Masse, elektrische oder magnetische Ladung besitzen, miteinander verbunden, 
weshalb sie eine Kraftwirkung aufeinander ausüben und auch Impuls austauschen können.
Das verbindende Feld enthält Energie und kann sich im Raum maximal mit Lichtgeschwindigkeit verändern.

Graphische Darstellung eines Feldes um zwei Gegenstände mit anziehender Wirkung.

Ein Feld, dass uns in ganz besonderer Weise vertraut zu sein scheint, ist das Gravitationsfeld. Denn die Abziehungskraft 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 dagegegen kann man in vielfältiger Weise beobachten.

Dieses kleine sokratische Gespräch soll die Eigenschaften eines Feldes verdeutlichen:

• Die wichtigste Eigenschaft eines Feldes ist daher, dass es Kräfte zwischen Dingen übertragen kann.

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 Kräfte übertragen. Bei zwei Magneten muss man dazu nur zwei verschiedene Pole nähern.

Ach so! Dann ist ein Feld also so etwas wie eine Stange!

• Ja,aber im Unterschied zu einer Stange ist ein Feld in der Regel viel "weicher".

Dann ist ein Feld so ewas wie ein Schwamm zwischen den Dingen, den 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.

Links

• Wikipedia: Fernwirkung und Wikipedia: Actio in distans (Philosopische Bezeichnung der Fernwirkung)
• Die vier Grundkräfte der Physik (Mrc Gänsler, www.drillingsraum.de)
• Nah- und Fernwirkungstheorie in der Elektrostatik (Pohlig)
• Kurze Geschichte des Feldbegriffs (Karl-Josef Klein und Hans-Jürgen Dons)