Schwere, Elektrische und Magnetische Wechselwirkung (Gravitation, Elektrostatik, Magnetostatik)

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Versuche und Beispiele

  • Earth-Moon System.jpg
  • Lightning3.jpg
  • Kompass.jpg
  • Doppelpendel elektrostatisch gekoppelt.jpg
  • Flying Stick.jpg
  • Schallplattengenerator.jpg
  • Magnetischer Heizkörper.jpg

  • Ein Hai kann elektrische Felder fühlen.


Gravitation

Die Gravitationsdrehwaage
Ein Gewicht

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

Elektrische Wechselwirkung

  • Flying Stick
  • Doppelpendel
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.

Magnetische Wechselwirkung

  • (Ent)Magnetisieren:Schütteln/Erhitzen (Elementarmagnete?)
  • Stabmagnet oder Eisenstab?
  • Doppelpendel
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.

Gemischtwarenladen

Aufbau

Man versucht mit dem geriebenen Luftballon eine Wirkung auf den Magneten zu erzielen. Oder auf ein aufgehängtes Holzstück.

Und Magnet und Stück Holz.

Beobachtung

Zwischen dem geriebenen Luftballlon und dem Magneten (dem Gewicht) gibt es eine WW.

Zwischen Magnet und Holz nicht. (Oder keine messbare.)

Eigenschaften von schwerer, elektrischer und magnetischer Wechselwirkung

Wechselwirkung Wechselwirkung.png

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.

Offensichtlich besteht eine Wechselwirkung zwischen jeweils passenden ähnlichen Eigenschaften von Gegenständen. Es gibt drei verschiedene physikalische Eigenschaften, die Wechselwirkungen hervorrufen[1].

  • Die (schwere) Masse ([math]m[/math] in Kilogramm, [math]kg[/math])
Alle Gegenstände mit einer (schweren) Masse , werden gegenseitig angezogen. ("Schwere Masse ist homosexuell." ;)
  • Die elektrische Ladung ([math]Q[/math] in "Coulomb", [math]1\,C=1\,A\,s[/math]), die positiv oder negativ sein kann.
Elektrisch gleichnamige Gegenstände werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen. ("Elektrische und Magnetische Ladung sind hetero und homophob[2] ."))
  • Die magnetische Ladung[3] ([math]Q_m[/math] in "Weber", [math]1\,Wb=1\,V\,s[/math]), die Nordpol- oder Südpolladung sein kann.
Die Enden zweier Gegenstände mit gleichnamigen magnetischen Ladungen werden abgestoßen, ungleichnamige werden angezogen.
  • Die Wechselwirkung ist umso größer, je größer die elektrischen oder magnetischen Ladungen oder die Massen sind.
  • Zwei ungleichnamige elektrische oder magnetische Ladungen schwächen sich in ihrer gemeinsamen Wirkung.
  • Außerdem steigt die Wirkung bei kleinerem Abstand.


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.)[4]


  • 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.


Entstehung der Ursachen / Ladungen

  • Elektronen sind vom oberen auf den unteren Gegenstand gebracht worden.

  • Dadurch ist der obere Gegenstand positiv, der untere negativ geladen.

  • Leer.jpg

  • Bei einem Festmagneten sind die atomaren Magnete überwiegend gleich ausgerichtet.

  • Dieser Festmagnet ist sogar vollständig magnetisiert.

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


  • Um einen Gegenstand elektrisch zu laden muß man Ladungen verschieben, man kann sie nicht erzeugen.
  • Um einen Gegenstand zu magnetisieren, muss man seine atomaren Magnete ausrichten.
  • Bei der Magnetisierung eines Gegenstandes entsteht an den Rändern genausoviel Nordpol- wie Südpolladung. Die Summe der Ladungen ist Null.
  • Durch Erhitzung oder Erschütterungen werden die atomaren Magnete eines magnetisierbaren Gegenstandes beweglich.


  • Bringt man positive und negative Ladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
  • Bringt man Nordpolladung und Südpolladung an einer Stelle zusammen, so schwächt sich die Wirkung. Entscheidend ist der Ladungsunterschied.
  • Ein Gegenstand mit ebensoviel positiver wie negativer Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.
  • Ein Gegenstand mit ebensoviel Nordpol- wie Südpol-Ladung wirkt nach Außen wie ein neutraler Gegenstand, wenn die Ladungen gleichmäßig verteilt sind.

Vergleiche

Stärke

Im Alltag ist die magnetische Wechselwirkung am stärksten. Schon kleine Magnete werden mit großen Kräften zusammengezogen. Elektrische Kräfte, wie zwischen zwei geriebenen Luftballons sind verhältnismäßig klein.

Erst bei großen Massen wie der Erde ist die schwere Wechselwirkung deutlich spürbar.

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/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.

Fehler

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


Fußnoten

  1. ↑ Ausserdem gibt es noch die starke und die schwache Wechselwirkung. 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. ↑ Die magnetische Ladung wird auch als Polstärke [math]p[/math] bezeichnet.
  4. ↑ 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



Zitate 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.


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