Kategorie: Basics

Magnetische Kräfte haben nichts mit elektrischen Kräften zu tun. Vorderhand. Zunächst. Magnetische Kräfte wirken zwischen Magneten, und elektrische Kräfte zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „Ladung“. Oersted fand in seinem Labor aber heraus, dass es eine Verbindung zwischen den beiden Welten gibt. Nur mit dieser Verbindung ist es möglich, Generatoren und Motoren zu bauen, und in der Folge auch elektromagnetische Wellen in Sendern und Empfängern zu senden und empfangen.

Schritt 1: Wenn ein Elektron ruhig im Kabel sitzt, weil der Stromkreis unterbrochen ist wird sich ein Magnet – vielleicht eine Kompassnadel – völlig unbeeindruckt vom Elektron zeigen. Die magnetische Nadel zeigt zum Nordpol, dorthin, wo das Erdmagnetfeld zeigt. Wird der Stromkreis aber geschlossen, beginnt sich das Elektron zu bewegen. Und ein bewegtes Elektron „benimmt“ sich wie ein kleiner Magnet. Man sagt, es erzeugt ein Magnetfeld, das eben die Kompassnadel spüren kann, sie beginnt sich in eine bestimmte Position zum Kabel hinzudrehen. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, ist das künstliche Magnetfeld wieder weg, und die Kompassnadel zeigt nach Norden.

Das war der Versuch von Oersted.

Es gibt dann in der Folge noch zwei weitere Experimente, die spannend sind: Bringt man nämlich einen Magneten mit, und lässt Elektronen in einem Kabel fließen, das in dessen Magnetfeld liegt, so entsteht eine Kraft. Das Kabel fliegt einem um die Ohren. Es ist die Lorenzkraft die entsteht. Strom plus Magnetfeld ergibt eine Kraft. Aus elektrischer Energie wird mechanische Energie. Das Motorprinzip.

Und das zweite: aus mechanischer Energie kann elektrische Energie werden. Eine Leiterschleife wird in einem Magnetfeld gedreht. Durch die Drehung werden die Elektronen in eine bestimmte Richtung im Kabel gedrängt, man sagt, es werde eine „Spannung induziert“. Das Generatorprinzip. Aus Drehung in einem Magnetfeld entsteht Spannung.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_Ørsted

Die Frage war: Was trägt die Lichtstrahlen. So wie Wasser Wasserwellen transportiert müsste ein „Äther“ die Lichtwellen transportieren. Da aber im Universum Vakuum ist – „Nichts“ – und das Licht trotzdem durchgeht, müsste also der Äther das Universum erfüllen, extrem dünn sein, durchsichtig extrem, aber gleichzeitig sehr „zäh“, so wie Stahl, denn je dichter, zäher das Material, desto schneller die Wellen, die durchgehen. Und Licht ist ziemlich schnell.

Michels und Morley machten sich also auf die Suche nach dem Äther mit einer Idee. Die Erde kreist um die Sonne, da müsste doch so etwas wie ein Ätherwind entgegenkommen. Sie bauten einen drehbaren Tisch und ließen Licht einmal gegen diesen Ätherwind laufen, und wieder retour, und einmal senkrecht dazu und wieder retour. Wenn es Unterschiede in den Laufzeiten gibt, dann könnten sie damit zeigen, dass der Äther existiert.

Nun: es gab keinen Unterschied. Und somit fanden Michelson-Morley heraus: es gibt keinen Äther. Es gibt somit kein absolut ruhendes Bezugssystems as das Universum erfüllt, und somit können alle Geschwindigkeiten nur „relativ“ zueinander angegeben werden. Die Relativitätstheorie entstand.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Morley-Experiment

Wenn Sie wissen möchten, was in Ihrem Kuchen drin ist, welche Möglichkeiten haben Sie?

1. Zerkrümeln. Sie brauchen dazu eine Hand in der Größenordnung des Kuchens. Nachteil: Sie wissen danach nicht, wie die Einzelteile angeordnet waren.
2. Zerschneiden. Sie brauchen dazu ein Messer von der Größenordnung des Kuchens.
3. Etwas draufschießen. Sie brauche dazu kleine Geschoße. Je nachdem, ob sie ihre Flugbahn auf dem Weg durch den Kuchen ändern, sind sie auf etwas Festes gestoßen oder nicht.

Der dritte Punkt war die Strategie Ernest Rutherfords, 1911. Zu diesem Zeitpunkt wusste man schon, dass es positive und negative Ladungen im Atom gibt, man glaubte aber, ein Atom wäre wie ein Kuchen, also vollständig ausgefüllt.

Rutherford fand heraus, dass das Atom aus einem positiv geladenen Kern (Protonen, Neutronen kannte man noch nicht) besteht, der sehr klein und massereich ist, dann kommt ziemlich viel „Nichts“, und dann die Hülle mit den Elektronen, deren Masse nur 1/2000 der eines Protons ist.

Das Experiment funktionierte mit Heliumkernen (positiv geladen, keine Elektronen), die auf eine sehr dünne Goldfolie geballert wurden. Die meisten dieser Kerne flogen ziemlich geradlinig durch das die dünne Goldfolie (die Goldatome), wurden vielleicht etwas abgelenkt, und selten wurde ein Heliumkern arg zurückreflektiert, so als ob es auf ein großes Hindernis geprallt wäre. Ja, das war ein Treffer mit einem Atomkern.

Die Neutronen wurden übrigens erst 1932 entdeckt.

Details zum Weiterlesen:

https://de.serlo.org/physik/atom–kernphysik/atommodelle/rutherfordscher-streuversuch

Dieses Experiment ist ein großartiges Beispiel, wie man durch Geschick und Überlegung die Natur so am Bauch kitzeln kann, dass sie feine Details von sich erzählt. Millikan hat für dieses Experiment de Nobelpreis erhalten, den es wirklich nicht für Alles gibt.

Konkret geht es um die Frage, wie groß die kleinste elektrische Ladung ist. Dass es eine kleinste gibt, war damals, 1917, schon bekannt, und die kleinste Ladung trägt das Elektron. Die Elementarladung. Negativ. Die Überlegung war, dass man auf kleine Tröpfchen von Öl Vielfache dieser Elementarladung packen kann, und wenn man misst, wie viel Ladung dann da oben sitzt, sieht man, dass sich die unterschiedlichen Mengen um genau die Stufen von Elementarladungen unterscheiden.

Im Prinzip: Alle Preise auf Packungen im Supermarkt. Sie unterscheiden sich durch die „Elementargeldladung“, nämlich Cent.

Und jetzt kommt die schlaue Überlegung. Wir haben es mit elektrischer Wechselwirkung zu tun, wenn Ladungen sich anziehen (+ und -) oder sich abstoßen (++ oder – -). Elektrischen Kräften. Was aber jede Masse zusätzlich mitbringt, ist ihre Empfänglichkeit für die Schwerkraft.

Ich lasse also feine Tröpfchen, die elektrisch geladen sind, durch die Schwerkraft nach unten sinken, und wenn ich oben jetzt eine positiv geladene Platte habe, deren Ladung ich fein regulieren kann, entsteht eine Gegenkraft, die das Tröpfchen schweben lässt. Zuviel Spannung, und es steigt nach oben, zuwenig, und es sinkt.

Im Detail spielt noch Auftrieb und Reibung in Luft eine Rolle, und der Versuch wird zweistufig durchgeführt, erst Schwebenlassen, dann die Geschwindigkeit beim Absinken messen, um die Größe der Kügelchen zu ermitteln. Aber im Wesentlichen kan man die Rechnungen gut nachvollziehen, wenn sie einem jemand schön erklärt.

Text: Lothar Bodingbauer

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch

Wir müssen zwei Ebenen betrachten, wenn wir die experimentelle Arbeit Galileo Galileis würdigen möchten.

Einerseits die inhaltliche Ebene: Er hat sich mit der Frage beschäftigt, ob schwere Dinge schneller fallen, als leichte. Bei einer Feder und einem Stein wäre das eindeutig zu sehen. Es ist aber nicht die Masse, die den Unterschied ergibt, sondern der Luftwiderstand. Das Experiment der beiden fallenden Gegenständen würde am Mond – ohne Luft – eben ganz anders verlaufen, Feder und Stein kommen gleichzeitig am Boden an.

Wie soll man das aber auf der Erde zeigen? Das ist die zweite Ebene – die Kunst, oder vielmehr schon, der Wille, sich die Luft wegzuexperimentieren oder eben wegzudenken. Das war eine zu dieser Zeit sehr unübliche Denkweise, denn wozu würde man das machen? Galileo Galilei steht also am Beginn der modernen Naturwissenschaft.

Galileo Galilei ließ zwei gleich große, aber unterschiedlich schwere Gegenstände vom Turm von Pisa fallen – das ist die Geschichte, ob es wirklich so war, kann man bezweifeln. Eher ließ er sie eine schiefe Ebene hinunterrollen. Da man nicht sehen kann, was schneller rollt, befestigte er kleine Glöckchen, die beim Vorbeilaufen der Kugel ein „Klein“ hören lassen – er stammt aus einer Musikerfamilie. Hat man zwei schiefe Ebenen mit zwei verschieden schweren Kugeln, hört man gleichzeitig die beiden „Klings“. Die Schiefe Ebene immer steiler gestellt führt dann zum Freien Fall.

Das Fallgesetz wurde entwickelt: „Alle Körper fallen gleich schnell.“ Luftwiderstand ausgenommen. Also besser: „Alle Körper fallen im Vakuum gleich schnell“.

Beim Pendel sieht man das auch. Befestigt man gleich große, aber unterschiedliche Massen an einer Schnur und lässt sie hin und her pendeln, dauert einmal hin- und her in beiden Fällen gleich lang.

Darüber hinaus beschäftigte sich Galileo Galilei mit den Jupitermonden, die er mit einem Fernrohr beobachtete. Fernrohre waren damals keine Methode des Wissenserwerbs, weil sie noch unbekannt waren, und so dauerte es eine Weile, bis die Menschen das in ihr Weltbild einbauen konnten, was sie durch ihre Fernrohre sahen.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei