Lernzirkel: Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik): Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 1. Juni 2014, 14:55 Uhr

Ladungen - verschiedene Eigenschaften von Gegenständen

Schwere Ladung

• Welche der Aussagen ist richtig?

1) "Gravitation ist die Kraft, die uns und andere Gegenstände nach unten zur Erde zieht."

2) "Gravitation bewirkt die Anziehung von kleinen Objekten zu großen Objekten." (Ein Ball wird von der Erde angezogen, die Erde wird von der Sonne angezogen.)

3) "Gravitation ist Massenanziehung. Zwei Gegenstände, die Masse haben, werden zueinander hingezogen."

• Beschreibt ganz kurz die Funktionsweise einer Gravitationsdrehwaage. (Physikbuch mit beschreibendem Text.)

Magnetische Ladung

• Nähere das eine Ende eines Magneten verschiedenen Stellen des anderen Magneten.

Welche Wirkungen treten auf? Wann ist die Wirkung besonders stark?

• Hänge einen Magneten drehbar an einer Schnur auf.

An welcher Stelle befindet sich die Nordpolladung?

Elektrische Ladung

• Warum gibt es keine Gegenstände, die dauerhaft elektrisch geladen sind?

Summe und Differenz von Ladungen

Magnete wirken zusammen

• Wieviele Nägel kann man mit einem Nordpol anheben?

Haltet dann zwei Nordpole zusammen. Wieviele Nägel können zwei Nordpole anheben?

• Haltet einen Magneten waagrecht und hängt den mit der Knete beschwerten Nagel an den Nordpol (äußerste Kante!). Nähert dann den Südpol des anderen Magneten.

Erklärt eure Beobachtung!

Elektrische Ladungen löffeln

Wimshurst-Maschine

Das Netzgerät liefert eine Hochspannung. Durch eine eingebaute Sicherung ist man vor großen Energieübertragung zwar gesichert, aber es ist empfehlenswert nicht an die Anschlüsse zu greifen (zu gefährlich?)

Gravitation auf anderen Planeten

• Die Gravitation ist nicht überall gleich. Der Ortsfaktor gibt an, wie stark die Anziehungskraft an dieser Stelle ist.

Warum ist die Gravitation an den verschiedenen Orten denn so unterschiedlich?

Vortext

Führen Sie die verschiedenen Experimente durch und notieren Sie Ihre Beobachtungen.

Suchen Sie aus den untenstehenden Aussagen solche, die sie mit dem Versuchsergebnis im Einklang stehen oder die Sie widerlegen können.

Überlegen Sie sich für Aussagen, für die Sie kein passendes Experiment finden, selbst eines mit dem man die Aussage begründen oder widerlegen kann.

Erstellen Sie aus den korrekten Aussagen eine Mindmap zum Thema "Wechselwirkung". Dazu ist es sinnvoll die Aussagen in Gruppen mit jeweiligen Überschriften einzuteilen.

Aussagen

messbare Ursache der Wirkung

• Es gibt 5 verschiedene Wechselwirkungen zwischen Gegenständen^[1]: schwere WW (Gravitation), elektrische WW, magnetische WW, starke WW, schwache WW.

• Jede Wechselwirkung wird von einer meßbaren physikalischen Größe hervorgerufen:
  • schwere Masse ("schwere Ladung") (m in kg)
  • elektrische Ladung (Q in C)
  • magnetische Ladung (Q_m in Wb)
  • schwache Ladung
  • Farbladung (rot, grün, blau)

• Die schwere Ladung (Masse) ist immer positiv, nie negativ.
• Die elektrische Ladung kann positiv oder negativ sein.
• Die magnetische Ladung kann positiv (Nordpol) oder negativ (Südpol) sein.

• Gegenstände mit schwerer Masse werden angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)
• Gegenstände mit ungleichnamigen elektrischen/magnetischen Ladungen werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero.")
• Gegenstände mit gleichnamigen Ladungen werden abgestoßen. ("... und homophob^[2] .")

Ladungsträger im Atommodell

• 

  Das Modell eines Isolators.

• 

  Das Modell eines Leiters.

• 

  Das Modell eines magnetisierbaren Gegenstandes.

• Ein Atom besteht aus einem "festen" Kern aus Protonen und Neutronen mit "weicher" Elektronenhülle. (Entscheidend ist der Energieaufwand!)

• Alle Materiebausteine tragen schwere Ladungen (Masse).
• Protonen tragen positive Ladung und Elektronen negative Ladung.
• Manche Atome (Fe, Co, Ni) sind durch die Art ihrer Elektronenhülle ein kleiner Magnet/magnetischer Dipol. (Tragen sowohl Nord- als auch Südpolladung.)^[3]

• In Festkörpern sind die Atome nur schwer verschiebbar, oft in einer regelmäßigen Kristall-Struktur.
• Die äußere Elektronenhülle ist bei manchen Festkörpern ("Leiter") "leicht" verschiebbar, bei anderen ("Isolator") nicht.
• Die atomaren Magnete sind je nach Art des Festkörpers mehr oder weniger leicht drehbar.

Beweglichkeit/Magnetisierung/Polarisierung/Influenz

• 

  Magnetisierung (magnetische Influenz): Ein unmagnetischer aber magnetisierbarer Gegenstand.

• 

  Wird in der Nähe eines Südpols magnetisiert.

• 

  Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.

• 

  Verschiebungspolarisation: Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.

• 

  Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien und "Polarisationsladungen".

• 

  Orientierungspolarisation: Haben die Moleküle ein elektrischen Dipol (zB Wasser)...

• 

  so werden die Moleküle gedreht.

• 

  Nach Außen ergibt sich das gleiche Ergebnis wie bei der Verschiebung der Elektronenhüllen.

• 

  (elektrische) Influenz: Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  Ladungen verschoben.

• 

  Es entsteht ein elektrischer Dipol.

• Elektrische Ladung ist in einigen Stoffen sehr beweglich, in anderen nicht.
• Magnetische Ladung ist immer fest an den magnetisierten Gegenstand gebunden.

• In einem elektrisch neutralen Gegenstand werden in der Nähe eines elektrisch geladenen Gegenstandes die Ladungen verschoben. (elektrische Influenz)
• In einem magnetisierbaren Gegenstand werden in der Nähe einer magnetischen Ladung die atomaren Magnete ausgerichtet. (magnetische Influenz)

• Elektrische Ladungen lassen sich nur sehr schlecht speichern/anhäufen. Elektrische Ladungen lassen sich nur schwer trennen.
• Ein Gramm Kupfer hat eine positive Ladung von fast 3 Millionen Coulomb!

• Bei Nichtleitern gibt es keine freibeweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar.

Vergleiche

Stärke

Vergleich mit zwei Eisenstücken: Stärke der Gravitation, elektrischen Feldes (Nur die Kerne!), Magnetischen Feldes (vollständig magnetisiert!) bei gleichem Abstand.

Gravitation ist am schwächsten, elektrisch stärker als elektrisch.

Makroskopisch ist das magnetische Feld stärker, weil sich elekrtische Ladungen nur schlecht anhäufen lassen.

Reichweite

• Es gibt keine negative Massen.
• Die meisten Gegenstände enthalten fast gleichviel positive und negative elektrische Ladung. (Es ist schwer elektrische Ladung anzuhäufen.)
• Alle Gegenstände enthalten gleichviel Nord- und Südpolladung.

Nur von der schweren Masse kann man ganz viel anhäufen. In einem großen Abstand wirkt daher nur noch die Gravitation von großen Gegenständen, wie Erde, Mond oder Sonne. Bei einem Magnet heben sich in größerer Entfernung die Wirkung der beiden Pole auf und die elektrische Ladungsanhäufung ist zu klein.

Beweglichkeit/Influenz

• 

  Ein unmagnetischer aber magnetisierbarer Gegenstand.

• 

  Wird in der Nähe eines Festmagneten magnetisiert.

• 

  Vereinfachte Darstellung mit Magnetisierungslinien, die von Südpol- zu Nordpolladungen verlaufen.

• 

  Ein Isolator wird in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  polarisiert. Die Elektronenhüllen verschieben sich.

• 

  Vereinfachte Darstellung mit Polarisierungslinien und "Polarisationsladungen".

• 

  Bei einem Leiter werden in der Nähe eines geladenen Gegenstandes...

• 

  Ladungen verschoben.

• 

  Es entsteht ein elektrischer Dipol.

• Elektrische Ladung ist in einigen Stoffen sehr beweglich, in anderen nicht.
• Magnetische Ladung ist immer fest an den magnetisierten Gegenstand gebunden.

• In einem elektrisch neutralen Gegenstand werden in der Nähe eines elektrisch geladenen Gegenstandes die Ladungen verschoben. (elektrische Influenz)
• In einem magnetisierbaren Gegenstand werden in der Nähe einer magnetischen Ladung die atomaren Magnete ausgerichtet. (magnetische Influenz)

• Elektrische Ladungen lassen sich nur sehr schlecht speichern/anhäufen. Elektrische Ladungen lassen sich nur schwer trennen.
• Ein Gramm Kupfer hat eine positive Ladung von Coulomb!

• Bei Nichtleitern gibt es keine freibeweglichen Elektronen, aber die Elektronenhülle ist trotzdem verschiebbar.

Fehler

• Es wird eine ganze Hälfte eines Permanentmagneten grün oder rot gezeichnet.

Aus Büchern

• Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.
• Wenn ein Gegenstand einen anderen wegdrückt oder zu sich heranzieht, muß es eine Verbindung zwischen den Gegenständen geben.
• Gleichnamige Magnetpole werden von ihrem Feld voneinander weggedrückt, ungleichnamige werden zueinander gezogen.
• Ein Magnet enthält genausoviel positive wie negative Ladung.
• Magnetisierungslinien beschreiben den Magnetisierungszustand von Materie. Sie beginnen an negativen magnetischen Ladungen (Südpolladungen) und enden an positiven magnetischen Ladungen (Nordpolladungen).
• Magnetische Pole sind von magnetischen Feldern umgeben. Hat die Ladung von zwei Pole dasselbe Vorzeichen, so drückt das Feld die Pole voneinander weg, hat sie verschiedene Vorzeichen, so zieht sie das Feld aufeinander zu.
• Die gesamte magnetische Ladung eines Magneten ist Null.
• Die magnetische Feldstärke ist ein Vektor. Betrag des Vektors: Maß für die Dichte des Feldstoffs. Richtung des Vektors: Zugrichtung des Feldstoffs.
• Es gibt keine magnetischen Einzelpole, sondern nur magnetische Dipole.
• Ferromagnetische Stoffe enthalten Elementarmagnete in Form von Dipolen.
• Beim Magnetisieren richtet man die in Eisen vorhandenen Elementarmagnete aus. Sie sind im nicht magnetisierten Eisen ungeordnet.
• Bringt man entgegengesetzte Pole zusammen, so schwächen sie sich in ihren Wirkungen nach Außen hin ab. Gleichnamige dagegen verstärken sich.
• Magnetische Wirkung ist additiv: Superpositionsprinzip
• Die magnetischen Kräfte nehmen mit kleiner werdendem Abstand stark zu.

• Die Elektrizität kann positive und negative Werte annehmen.
• Elektrische Ladung (Elektrizität) sitzt immer auf Teilchen, den Ladungsträgern.
• Ein positiv geladener Körper besitzt Elektronenmangel, ein negativ geladener Körper besitzt Elektronenüberschuß.
• Die Ladung eines Körpers ist immer auf geladene Teilchen zurückzuführen, die in allen Körpern vorhanden sind. Es gibt sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen (Ladungsträger).
• Auf einem scheinbar ungeladenen Körper sind positive und negative Ladungsträger in gleicher Zahl vorhanden. Dieser Körper ist elektrisch neutral.
• Ungleichnamige Ladungen neutralisieren sich.
• Überwiegen die positiven Ladungsträger, so ist der Körper positiv geladen.
• Die positiv geladenen Teilchen können die Atomkerne nicht verlassen. Einzelne Elektronen können aus den Atomhüllen herausgerissen oder von den Atomhüllen abgegeben werden.
• Bei enger Berührung unterschiedlicher Körper kann es passieren, dass Elektronen aus den Atomhüllen des einen Körpers auf den anderen Körper überwechseln.
• Eine geriebene Schallplatte ist in einem besonderen elektrischen Zustand. Man sagt: Sie ist geladen, oder sie trägt eine elektrische Ladung.
• Es ist nicht möglich, einen Körper allein aufzuladen, immer wird auch gleichzeitig ein zweiter geladen.
• In Nichtleitern ist die Ladung unbeweglich und an ihren Platz gebunden, während sie sich in Leitern bewegen kann.
• Die Ladungen eines geladenen Leiters sitzen nur auf seiner Außenfläche.
• Zwei positiv geladene Körper stoßen sich voneinander ab; das gleiche gilt für zwei negativ geladene Körper. Dagegen ziehen sich ein positiv und ein negativ geladener Körper gegenseitig an.
  • Kurz gesagt: Gleichnamig geladene Körper stoßen einander ab, ungleichnamig geladene ziehen einander an.
• Elektrisch geladene Gegenstände sind von einem elektrischen Feld umgeben. Haben die Ladungen von zwei Gegenständen dasselbe Vorzeichen, so drückt das Feld die Gegenstände voneinander weg, haben sie verschiedene Vorzeichen, so zieht das Feld sie aufeinander zu.
• Wenn man einen eladenen Körper in die Nähe eines ungeladenen Leiters bringt, kommt es zu Ladungsverschiebungen. Dieser Vorgang heisst Influenz.

Bringt man einen geladenen Körper in die Nähe eines ungeladenen Isolators, so werden die Elektronen in der Atomhülle eines jeden Atoms ein wenig verschoben. Jedes Atom des Isolators hat dann einen positiven und einen negativen Bereich.

• Das Wort Influenz ist abgeleitet von lat. influere: hineinfließen.

• Die elektrische Feldstärke ist ein Vektor. Betrag des Vektors: Maß für die Dichte des Feldstoffs. Richtung des Vektors: Zugrichtung des Feldstoffs.

Fußnoten

1. ↑ Meistens wird die elektro-magnetische WW nur als eine WW gezählt, dann sind es 4 WW. Die starke WW ist unter anderem dafür verantwortlich, dass die Atomkerne zusammenhalten. Die schwache WW ist beim radioaktiven Zerfall von Bedeutung.
2. ↑ Siehe Wikipedia: Homophobie
3. ↑ IBM sucht die Super-Festplatte Artikel bei heise online über eine "Super-Festplatte", welche die Magnetisierung einzelner Eisenatome zur Datenspeicherung verwendet.
   Schönes Bild von atomarer Magnetstruktur (Prof. Dr. rer. nat. Dronskowski (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen))

Links

• Animation von Ladungsverschiebung und Ladungsanhäufung. (Klaus Wetzstein)