Big Bang Physik 6, Schulbuch

96  Felder 25.2 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, ungleich- namige Ladungen ziehen einander an. Das kann man im Feldlinienbild sehr gut erkennen (Abb. 25.9). Benachbarte gleichnamige Ladungen sind niemals durch Feldlinien ver- bunden. Das gilt auch bei komplizierten Feldern (Abb. 25.11). Aber warum können einander elektrische Feldlinien niemals kreuzen ( F6 )? Abb. 25.9:  Feldlinien ( F7 ) bei Anziehung (a) und Abstoßung (b) Erinnere dich: Die Feldlinien geben die Richtung der Gesamtkraft an jedem Punkt des Raumes an. Würden Linien einander kreuzen, dann würden auf eine Ladung an diesem Punkt zwei Gesamtkräfte gleichzeitig wirken. Ab- surd, 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 zugeordnet werden. Daher können die Feld­ linien einander niemals kreuzen (Abb. 25.10 und 25.11). 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. 8.6, „Big Bang 5“. Es ist unmöglich, dass sich elektrische Feldlinien schneiden (Abb. 25.8a)! Kannst du das mit Hilfe des Feldbegriffs begründen? Es ist unmöglich, dass die Feldlinien einer Ladung geschlossen sind (Abb. 25.8b)! Kannst du das mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes begründen? Versuche, ohne unten weiterzulesen, den Verlauf der Feldlinien zwischen einer positiven und einer negativen sowie zwischen zwei positiven Ladungen aufzuzeichnen. Und wie könnte das Feldlinienbild zu Abb. 25.8a aussehen? F5 W1 F6 S2  Abb. 25.8:  a) Elektrische Feldlinien kreuzen einander nie! b) Elektrische Feldlinien sind nie geschlossen! F7 E2  Abb. 25.10:  Feldlinienbild zu Abb. 25.8a: Die Feldlinien kommen einander in der Mitte sehr nahe, kreuzen einander aber nicht. Abb. 25.11:  Feldlinienbild einer komplizierten Anordnung von Ladungen: Die Größe der Scheibchen entspricht der Größe der elektrischen Ladungen. Größere Ladungen haben natürlich auch eine größere Feldliniendichte. Außerdem sind elektrische Feldlinien niemals in sich geschlossen (Abb. 25.8b). Sie führen also niemals direkt wieder zur selben Ladung zurück. Man sagt daher, das elektrische Feld ist wirbelfrei. Das gilt auch für komplizierte Anordnungen von Ladungen (Abb. 25.11). Es klingt zunächst verblüffend, aber man kann diese Tatsache aus dem Energieerhaltungssatz ableiten. Perpetuum mobile 1 Elektrische Feldlinien, die von Ladungen ausgehen, können deshalb niemals geschlossen sein, weil dann der Energie­ erhaltungssatz verletzt wäre. Man könnte nämlich ein Per- petuum mobile erzeugen ( F5 ). Warum? Nimm an, du hast eine große sowie eine kleine positive Ladung und die kleine Ladung würde von der großen abgestoßen und beschleu- nigt werden (Abb. 25.12). Wenn die Feldlinie geschlossen wäre, dann würde sie wieder zur großen Ladung zurück­ fliegen (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. 25.12:  Geschlossene Feldlinien wie in diesem Bild sind unmöglich, weil sie den Energieerhaltungssatz verletzen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv