Big Bang HTL 3, Schulbuch

34 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) Art des Feldes Vektor/ Skalar Beispiel Temperaturfeld Skalarfeld Wetterkarte (Abb. 4.1, S. 32) Druckfeld Skalarfeld Wetterkarte (Abb. 4.1, S. 32) Gravitationsfeld Vektorfeld Gravitationsfeld der Erde (Abb. 4.2, S. 32) elektrisches Feld Vektorfeld Feld unter einer Gewitter- wolke (Abb. 4.22, S. 39) magnetisches Feld Vektorfeld Magnetfeld der Erde (Abb. 5.10, S. 46) Tab. 4.1: Beispiele für Felder Zusammenfassung Wenn man jedem Punkt eines Raumes eine bestimmte Eigenschaft zuordnen kann (etwa eine Temperatur oder ein Kraft), dann spricht man von einem Feld. Kraftfelder kann man durch Feldlinien darstellen. Sie zeigen Größe und Richtung der Gesamtkraft an jedem Ort an. Die elektrischen Feldlinien führen per Definition von Plus zu Minus und geben die Kraftrichtung auf eine positive Probeladung an. Scifi-Kraftfelder Wie könnte man Kraftfelder zum „Versiegeln“ von Türen und Gängen erzeugen ( F4 )? Es gibt vier bekannte Kräfte in diesem Universum. Schwache und starke Wechselwirkung haben extrem kurze Reichweiten von einem Protonendurch- messer oder weniger und eignen sich daher nicht, um weit- läufige Kraftfelder zu erzeugen. Außerdem braucht man eine abstoßende Kraft, damit das Kraftfeld nicht durchquert werden kann. Die einzige bekannte abstoßende Kraft ist die elektrische (und die magnetische, die aber eine Folge der elektrischen ist). Trotzdem kann auch das nicht funktionieren. Denn ers- tens reicht das Feld jeder Ladung bis ins Unendliche und man könnte das Kraftfeld nicht auf einen dünnen „Vorhang“ beschränken. Außerdem könnte man dann nur gleich ge- ladene Objekte abblocken, aber keine neutralen wie Menschen und schon gar nicht einen Laserstrahl. Anders sieht es bei den Schutzschilden der Raumschiffe aus (Abb. 4.7). Im Star-Trek-Universum funktionieren diese Schil- de zumindest mal theoretisch so, dass die gesamte Raum- zeit um das Raumschiff herum gekrümmt wird. Dass das im Prinzip möglich ist, hat bereits E INSTEIN im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie entdeckt, und wir werden in NAWI IV darauf zu sprechen kommen. i Abb. 4.7: Die Schutzschilde der Voyager in Aktion Z 4.2 Was Feldlinien verboten ist Elektrische Feldlinienbilder In diesem Abschnitt kannst du dein Wissen über elektrische Felder vertiefen und erfährst mehr über den Verlauf der elektrischen Feldlinien. Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnami- ge Ladungen ziehen einander an. Das kann man im Feldlini- enbild sehr gut erkennen (Abb. 4.9). Benachbarte gleich- namige Ladungen sind niemals durch Feldlinien verbunden. Das gilt auch bei komplizierten Feldern (Abb. 4.11). Aber warum können einander elektrische Feldlinien niemals kreuzen ( F6 )? Erinnere dich: Die Feldlinien geben die Richtung der Ge- samtkraft an jedem Punkt des Raumes an. Würden sich Linien kreuzen, dann würden auf eine Ladung an diesem Punkt zwei Gesamtkräfte gleichzeitig wirken. Absurd, denn die Gesamtkraft ist ja schon eine Summe aller Kräfte! Das wäre genauso, als hätte eine Addition zwei Ergebnisse. Deshalb heißt es auch bei der Definition des Feldes: Jedem Punkt des Raumes kann eine bestimmte Eigenschaft zuge- ordnet werden. Daher können sich die Feldlinien niemals kreuzen (Abb. 4.10 und 4.11). Der Energieerhaltungssatz ist einer der Eckpfeiler der Physik. Was besagt er? Was versteht man unter einem Perpetuum mobile und warum kann es nicht existie- ren? Lies nach in Kap. 7.6, NAWI 1! Es ist unmöglich, dass sich elektrische Feldlinien schneiden (Abb. 4.8 a)! Kannst du das mit Hilfe des Feldbegriffs begründen? Es ist unmöglich, dass die Feldlinien einer Ladung geschlos- sen sind (Abb. 4.8 b)! Kannst du das mit Hilfe des Energieerhal- tungssatz begründen? Versuche, ohne vorher weiter zu lesen, den Verlauf der Feldlinien zwischen einer positiven und einer negativen sowie zwischen zwei positiven Ladungen aufzuzeichnen. Und wie könnte das Feldlinienbild zu Abb. 4.8 a aussehen? F5 A2 Abb. 4.8: a) Elektrische Feldlinien kreuzen einander nie! b) Elektrische Feld- linien sind nie ge- schlossen! F6 A2 F7 A2 Abb. 4.9: Feldlinien ( F7 ) bei Anziehung (a) und Abstoßung (b) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv