Ein elektrisches Feld umgibt eine elektrische Ladung. Ein Magnetfeld umgibt einen Magneten. Was ist ein Feld? Wir nehmen eine Testladung oder einen Testmagneten und bewegen sie/ihn um eine Ladung/einen Magneten herum. Wir zeichnen einen Pfeil. Er schaut in die Richtung, in die die Kraft auf das Testobjekt wird. Die Länge des Pfeils entspricht der Stärke der Kraft. So entstehen Feldlinien. Die Feldlinien sind beim elektrischen Feld offen, und beim Magnetfeld geschlossen.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Teilchen und Kräfte erscheinen uns als unterschiedliche Sachen. Atome zum Beispiel. Oder Protonen, wenn man noch näher in den Atomkern hineinschaut. Warum “kleben” sie zusammen? Wegen Kräften. In unserem üblichen Beschreibungssystem – die Physik beschreibt ja die Welt – kommen wir gut mit diesen zwei unterschiedlichen Konzepten – Teilchen und Kräften – zurecht.
Man möchte aber eine generelle Beschreibung wagen, man möchte Kräfte auch als Teilchen verstehen. Das geht, und zwar mit Hilfe des Austauschteilchens. Das Photon zum Beispiel kann als Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft verstanden werden. Wir sagen dabei statt Kraft lieber Wechselwirkung. Zwei elektrisch geladene Teilchen wechselwirken, wenn sie sich ein Photon zuschicken.
Im Detail ist das Ganze beliebig kompliziert, weil die Quantenphysik eine sehr mathematische Beschreibung der Welt ist, die man erst lernen muss, um sie zu verstehen. Die Herausforderung wird hier sein, trotzdem eine Idee zu erhalten. Es geht um Symmetrien, und um den Welle-Teilchen-Dualismus, und es geht um Kausalität: was ist wofür verantwortlich.
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Elektromagnetische Strahlung entsteht, wenn irgendwo ein Elektron beschleunigt wird. Und abgebremst. Und wieder beschleunigt, und wieder abgebremst. In einer Sendeantenne passiert genau das. Diese elektromagnetische Strahlung (in diesem Fall Radiowellen) breiten sich aus, und können von einer Empfangsantenne aufgenommen werden – in der befindet sich wieder ein Elektron (genau genommen natürlich viele), das diese Strahlung aufnimmt und selbst dadurch beschleunigt und abgebremst wird. Es entsteht Wechselspannung, Wechselstrom, der an den Lautsprechern hörbar gemacht werden kann.
Dadurch, dass sich diese elektromagnetischen Wellen ausbreiten, gibt es natürlich in jedem Punkt im Raum um so eine Antenne ein elektromagnetisches Feld – also eine messbare Energie, die von der Sendeantenne herrührt. Alle beschleunigten Ladungen produzieren so etwas, so etwa auch Wechselspannung/Wechselstrom unserer Energieversorgung im Haushalt. Es gibt Grenzwerte, die eingehalten müssen, und so wird das Ganze als “safe” erachtet, also keine Gesundheitsgefahr.
Es gibt aber den Begriff “Elektrosmog”, wenn zu viele Quellen zu stark senden. Man muss genau hinschauen, ob Angst vor Elektrosmog begründet ist oder nicht. Hier ist viel Spielraum für Richtiges und Falsches.
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Vielleicht haben Sie schon über das elektrische Feld gelesen. Wir machen das gleiche auch hier beim Magnetfeld. Wir nehmen einen Magneten, und legen ihn vor uns hin. Dann nehmen wir einen zweiten kleinen Testmagneten und bestimmen in der Umgebung des ersten, wie stark der Testmagnet angezogen oder abgestoßen wird. Das zeichnen wir an jedem Punkt der Umgebung ein: sowohl die Stärke als auch die Richtung. Die Dichte der so entstehenden Feldlinien zeigt die Stärke des Magnetfeldes an. Das geht mit Pfeilen der passenden Länge in die richtige Richtung. Unterschiedliche Magneten haben unterschiedliche Magnetfelder – sie sehen unterschiedlich aus. Übrigens: Magnete haben normalerweise NICHTS mit Elektrizität zu tun.
Ein starker Magnet im Technorama Winterthur Science Museum. Zwischen den Hörnern befindet sich ein starkes Magnetfeld.
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Es gibt zwei elektrische Ladungen: Plus und Minus. Nehmen wir eine davon, sagen wir “Minus”. Es ist jene Ladung, die auf einem Elektron sitzt. Nehmen wir also ein Elektron und legen es vor uns hin. Dann nehmen wir ein zweites Elektron. Wir nennen dieses zweite “Testladung”, weil wir nun die Umgebung vom ersten Elektron testen. Andere sagen dazu auch Probeladung. Zwei Ladungen wirken aufeinander durch Abstoßung oder Anziehung. In diesem Fall werden wir mit der Testladung Abstoßung spüren, weil gleichnamige Ladungen sich abstoßen. Wir zeichnen nun an jedem Punkt der Umgebung der ersten Ladung ein, wie stark und in welche Richtung die Abstoßung der Testladung ist. Es entstehen viele Pfeile. Die Dichte der so entstehenden Feldlinien zeigt die Stärke des elektrischen Feldes an. Das nennen wir das “elektrische Feld.” Es ist ein Vektorfeld, weil die Länge der Pfeile die Stärke der Abstoßung angibt, und die Richtung natürlich die Richtung. Das Ganze geht auch mit “Plus”, dann hätten wir eine Anziehung. Unterschiedliche Situationen lassen nun das elektrische Feld unterschiedlich aussehen. Wir unterscheiden die Felder einer Punktladung, zwischen zwei Kondensatorplatten, die aufgeladen sind, und so weiter.
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Nimm eine Masse in die Hand, lege sie auf eine Waage, und bewege sie um die Erde herum. Schreibe in jedem Punkt auf, wie viel die Waage anzeigt, und in welche Richtung die stärkste Anziehungskraft wirkt. Dann erstellst du ein Gravitationsfeld. Dieses Gravitationsfeld würde weit in den Weltraum hinausreichen – der Mond spürt auch noch die Anziehungskraft der Erde. Isaac Newton hat nun eine Theorie aufgestellt, wie das ist, mit der Schwerkraft. Sie wirkt zwischen Massen, und der Abstand spielt auch eine Rolle. Albert Einstein hat eine modernere Version formuliert. Man kann sich dabei vorstellen, die Erde liegt auf einem Gummituch, das die Raumzeit darstellt. Durch ihre Masse hängt dieses Gummituch nach unten durch. Es entsteht ein Trichter. Wenn man im Kreis in diesem Trichter rollt, ist man gebunden, man rollt durch seine Geschwindigkeit um die Erde herum, ohne auf sie hinunterzufallen. Potenzielle Energie beschreibt übrigens wie viel Energie man aufgrund seiner Lage in diesem Gravitationspotenzial hat. Mikrogravitation wird übrigens als der Zustand der Schwerelosigkeit bezeichnet – wenn man nicht auf eine Waage drücken kann. In der Raumstation ISS zum Beispiel. Es gibt dort oben aber noch genügend Schwerkraft, sonst würde sie nicht um die Erde kreisen, sondern in den Weltraum verschwinden. Die Raumstation “fällt” um die Erde herum, und in ihr fällt alles genau so schnell, damit kann man nicht mehr auf eine Waage drücken: “Mikrogravitation”.
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Die Idee des “Feldes” ist eine großartige Sache. Ein Feld im physikalischen Sinn beschreibt, wie groß in jedem Punkt des Raumes eine bestimmte Größe ist. Stell dir vor, eine rote Rose riecht wunderbar und steht in einer Vase im Raum. Du kannst nun herumgehen und bestimmen, wie stark sie wo zu riechen ist. Das ist ein “Skalarfeld”. In jedem Punkt um die Rose herum hat die Duftstärke eine bestimmte Größe. Wenn es nun eine Stinkblume wäre (so etwas gibt es), dann würdest du zusätzlich zur Duftstärke noch einen Drang verspüren, von ihr wegzugehen. Eine bestimmte Richtung (von ihr) weg kommt also zusätzlich zur Stinkstärke dazu. Das ist ein Vektorfeld – mit Größe und Richtung.
Beispiele für Vektorfelder sind Kraftfelder, Beispiele für Skalarfelder sind Temperaturverteilungen.
Warum das Feld so heißt? Vermutlich weil es wie bei einem Weizenfeld verschiedene Punkte hat, und die Halme, die wachsen, zeigen die Richtung der Kraft (gegen die Schwerkraft) an.
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