Big Bang HTL 3, Schulbuch

Elektrisches Feld 4 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 35 Außerdem sind elektrische Feldlinien niemals in sich ge- schlossen (Abb. 4.8 b). Sie führen also niemals direkt wieder zur selben Ladung zurück. Man sagt daher, das elektrische Feld ist wirbelfrei. Das gilt auch für komplizierte Anordnun- gen von Ladungen (Abb. 4.11). Es klingt zunächst verblüf- fend, aber man kann diese Tatsache aus dem Energie- erhaltungssatz ableiten. Gäbe es nämlich geschlossene Feldlinien, dann könnte man ein Perpetuum mobile er- zeugen, und das ist ja leider unmöglich. Info: Perpetuum mobile 1 Abb. 4.10: Feldlinienbild zu Abb. 4.8 a ( F6 ): Die Feldlinien kommen einander in der Mitte sehr nahe, kreuzen einander aber nicht. Abb. 4.11: Feldlinienbild einer komplizierten Anordnung von Ladungen: Die Größe der Scheibchen entspricht der Größe der Ladungen. Größere Ladungen haben eine größere Feldliniendichte. Perpetuum mobile 1 Elektrische Feldlinien, die von Ladungen ausgehen, können deshalb niemals geschlossen sein, weil dann der Energieer- haltungssatz verletzt wäre. Man könnte dann nämlich ein Perpetuum mobile erzeugen ( F5 ). Warum? Nimm an, du hast eine große und eine kleine positive Ladung. Die kleine Ladung würde von der großen abgestoßen und beschleu- nigt werden (Abb. 4.12). Wenn die Feldlinie geschlossen wäre, dann würde sie wieder zur großen Ladung zurückflie- gen (c), könnte eine neue Runde beginnen (a) und würde weiter beschleunigt werden. Die Ladung würde von selbst immer schneller werden und sich der Lichtgeschwindigkeit annähern. Auf diese Weise könnte man beliebig viel Energie aus dem Nichts gewinnen. Der Energieerhaltungssatz sagt uns aber, dass das leider nicht möglich ist. i Abb. 4.12: Geschlossene Feldlinien wie in diesem Bild sind unmöglich , weil sie den Energieerhaltungssatz verletzen. Zusammenfassung Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnami- ge ziehen einander an. Elektrische Feldlinien kreuzen einan- der niemals. Und sie sind niemals geschlossen, weil das den Energieerhaltungssatz verletzten würde. 4.3 Geraubte Elektronen Coulomb-Gesetz und elektrische Feldstärke Du weißt jetzt schon einiges über das elektrische Feld. Aber wie kann man die Kräfte zwischen Ladungen exakt berechnen? Darum geht es in diesem Abschnitt. Wenn du was auslässt, fällt es runter – dein Alltag wird von der Wahrnehmung der Gravitationskraft geprägt. Die elekt- rische Kraft nimmst du kaum wahr. Und wenn, dann empfindest du sie wahrscheinlich als störend, etwa beim Ausziehen eines Pullovers (Abb. 4.13). Aber die elektrische Kraft wird sowohl in ihrer Wichtig- keit als auch in ihrer Stärke enorm unterschätzt. Die elektrische Kraft bewirkt zum Beispiel, dass Elektronen und Protonen einander anziehen und somit Atome entste- hen ( F9 ). Ohne elektrische Kraft gäbe es also gar keine Elemente. Außerdem beruhen auf ihr alle chemischen Bindungen und somit die Festigkeit der Materie, also auch Z Was versteht man unter der Einheit Coulomb (C)? Welches ist die kleinste freie Ladung im Universum? Wie viele Elektronen ergeben zusammen 1 C? Wie viele Coulomb hat eine Batterie? Lies nach in Kap. 16.1.2 f., NAWI 1. Würde sich die Welt sehr ändern, wenn es die elektri- sche Kraft nicht gäbe? Was wird von dieser Kraft und durch sie beeinflusst? Die Kraftgesetze für zwei Massen und für zwei Ladungen sind sehr ähnlich (siehe Tab. 4.2, S. 36) und haben im Nenner den Faktor r 2 . Wieso? Nimm an, du könntest einem Kilogramm Eisen alle Elektronen entziehen und auf den Mond befördern (durchschnittliche Entfernung 384.000 km). Stelle Vermutungen an, welche Kraft dann zwischen den beiden Teilen wirken würde: a) weniger als 1 Millionstel Newton, b) etwa 1N, c) etwa 10.000N oder d) mehr als 100 Millionen N F8 A1 F9 A2 F10 A2 F11 A1 Abb. 4.13: Eine der wenigen Situationen, in denen man die elektrische Kraft direkt bemerken kann Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv