Big Bang HTL 3, Schulbuch

32 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) Elektrisches Feld 4 In der Physik tauchen immer wieder neue Fachbegriffe auf. Die meisten sind dir aus dem Alltag nicht bekannt, wie zum Beispiel der Begriff Interferenz (siehe Kap. 2.4, S. 19). Besonders schwierig ist es aber mit physikalischen Begriffen, die du aus dem Alltag mit einer anderen Bedeutung kennst. Der in der Physik sehr wichtige Begriff „Feld“ ist ein Beispiel dafür. Im Alltag spricht man etwa von einem Fußballfeld, einem Weizenfeld oder von einem Feld in einem Formular. In der Physik hat das Wort aber eine andere Bedeutung. Dort versteht man unter einem Feld, dass man jedem Punkt eines Raumes eine bestimmte Eigenschaft zuordnen kann. Weil das ziemlich abstrakt klingt, schauen wir uns zuerst ein paar konkrete Beispiele für Felder an, bevor wir uns dem elektrischen Feld genauer zuwenden. 4.1 Hochdruck über Österreich Der Feldbegriff In diesem Abschnitt geht es darum, den Begriff Feld anhand einiger Beispiele besser verstehen zu lernen. Und wir wer- fen auch einen kurzen Blick auf die „Kraftfelder“ in der Science-Fiction. In der Wetterkarte (Abb. 4.1) sind jedem Ort eine bestimmte Temperatur und ein bestimmter Druck zugeordnet. Physika- lisch gesehen sind also in der Karte übereinander zwei Fel- der dargestellt, nämlich ein Temperatur- und ein Druckfeld ( F1 ). In beiden Fällen handelt es sich um ein Skalarfeld . Klar, in welche Richtung sollte die Temperatur auch zeigen? Abbildungen wie diese kennst du aus dem täglichen Wetterbericht. Aber was ist da eigentlich genau dargestellt? Und was könnte diese Wetterkarte mit dem physikalischen Feldbegriff zu tun haben? Ein Gegenstand fällt auf der Erdoberfläche in einer Sekunde 5m tief. Der Mond fällt um die Erde. Aber um wie viel fällt er pro Sekunde? Tippe mal! Und was denkst du, um wie viel Prozent die Erdbeschleunigung am Mount Everest geringer ist als am Meer? Woher „weiß“ zum Beispiel ein Satellit, wie er um die Erde fallen muss? Warum ist die Bahn unter gleichen Bedingungen immer gleich? Und warum ist ein Satellit im Aphel schneller als im Perihel (Abb. 4.5)? Versuche mit Hilfe des Feldbegriffs zu antworten. In zahlreichen Science-Fiction-Filmen gibt es künstli- che „Kraftfelder“, die etwa die Korridore oder die Gefängniszellen in Raumschiffen „versiegeln“. Kann das aus physikalischer Sicht funktionieren und wenn ja, wie? F1 A2 Abb. 4.1: Die Zahlen auf den Linien geben den Druck in hPa an, die Farben die Temperatur. F2 A2 F3 A2 F4 A2 Ein dir bereits bekanntes Feld ist das Gravitationsfeld (siehe Kap. 10.4, NAWI 1). Es handelt sich dabei um ein Kraftfeld. Nehmen wir mal die Erde. An jedem Punkt in ihrer Umge- bung hat die Gravitationskraft eine exakt bestimmbare Richtung und Größe. Es gibt keinen Punkt, an dem es eine unbestimmbare Kraft gibt. Jeder Satellit fällt somit durch ein exakt bestimmbares Gravitationsfeld, und deshalb kann man seine Bahn auch exakt berechnen ( F3 ; Abb. 4.2). Weil eine Kraft durch einen Vektor dargestellt wird, handelt es sich beim Gravitationsfeld um ein Vektorfeld. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Kraftfelder darzustel- len. Oft zeichnet man Feldlinien ein (Abb. 4.2). Das sind ge- dachte Linien, die die Richtung der Gesamtkraft an jedem Punkt des Raumes anzeigen. Die Dichte der Feldlinien gibt die Stärke der Kraft an. In der Nähe der Erdoberfläche sind sie dichter, und dort ist somit auch die Gravitationskraft grö- ßer. Wie viele Feldlinien man in eine Abbildung einzeichnet, ist reine Geschmackssache und ändert nichts an den Kraft- verhältnissen. Warum? Verdoppelt man die Linienanzahl, dann verdoppeln sie sich an jeder Stelle des Feldes, wodurch die relativen Verhältnisse gleich bleiben. Info: Mondfall -> S. 33 Info: Flächensatz -> S. 33 Um jede Masse befindet sich ein Gravitationsfeld und um jede Ladung ein elektrisches Feld . Auch bei diesem handelt es sich um ein Kraftfeld (Tab. 4.1, S. 34). Man kann es mit Grießkörnern im Hochspannungsfeld sehr schön zeigen. Analog zum Gravitationsfeld gilt auch hier: Sind die Feld- linien enger, also in der Nähe der Ladungen, ist auch das elektrische Feld stärker (Abb. 4.3). Es gibt nur eine Art von Masse, aber es gibt zwei Arten von Ladungen, nämlich positive und n ega tive. Abb. 4.2: Die Ellipsenbahn eines Satelliten im Gravitationsfeld der Erde: Die Feldlinien geben die Richtung der Kraft an. An einigen Punkten sind zusätzlich die Kraftvektoren eingezeichnet. DJ Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags er a öbv