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Grundlagen der Elektrotechnik
Elektrische Grundgrößen
Erscheinungsformen der Elektrizität
Elektrizität – Eine Grundtatsache der Materie
Waren sie schon einmal in der Verlegenheit mit einem knappen Satz zu erklären was denn Elektrizität sei? Wenn sie an dieser Aufgabe
gescheitert sind, haben sie nicht versagt! Das geht leider nicht. Elektrizität kann der Mensch sinnlich nicht direkt, sondern nur über deren
Erscheinungsformen, wahrnehmen. Prinzipiell müssen wir unterscheiden zwischen Formen der Elektrizität von ruhenden Ladungen, von
bewegten Ladungen und von freien Elektronen und Ionen. Die Elektrostatik befasst sich mit den ruhenden Ladungen. Freie Ladungsträger
sind hauptsächlich in Halbleitern, Gasen und im Vakuum von Interesse. Die Elektrodynamik ist neben der Mechanik eine eigenständige
Säule der klassischen Physik. Natürlich gibt es zwischen den Säulen Querverbindungen. Es hatte den Anschein als ob die Atomphysik beide
zusammenführen könnte. Erst der Umbau der beiden klassischen Säulen zur Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik konnte
einigermaßen befriedigend die atomare Welt tragen.
Die ersten Beobachtungen einer geheimnisvollen Kraft, welche durch Reiben erweckt werden
kann, wurden nur in Zusammenhang mit Bernstein gemacht. Heute wissen wir ganz
selbstverständlich, dass Elektrizität als Grundtatsache der Elektrostatik, etwas mit Ladungsträgern
zu tun hat. Wir sollten uns aber bewusst sein, dass unser heutiges Wissen auf jahrhunderte lange
Beobachtung zurückzuführen ist. All das was wir beobachten können könnte auch ganz anders
sein. Warum es so und nicht anders ist ─ wir wissen es nicht.
Was können wir durch Beobachtung über die Elektrizität aussagen?
Arten
von
Ladung
Es gibt zwei Arten von Ladung. Sie können einander aufheben. Es ist daher sinnvoll sie als positiv und als negativ zu bezeichnen.
Warum gibt es nicht nur eine Art Elektrizität wie bei der "Gravitationsladung" der Masse. Warum gibt es nur zwei und nicht mehr Arten der
Elektrizität? Haben wir dafür schon die letzen Antworten?
Ladungserhaltung
Ladung bleibt in einem abgeschlossenen System immer erhalten. Werden geladene Teilchen erzeugt, geschieht das immer in gleichen
Quantitäten beider Ladungsarten.
Die Ladungserhaltung ist wesentlich exakter als die Massenerhaltung. Die Masse eines Körpers hängt vom Bewegungszustand des
Beobachters ab. Die Ladung nicht.
Ladung
ist
gequantelt
Ladung ist gequantelt. Ladung kommt nur als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung vor.
Der Absolutbetrag von Proton und Elektron ist exakt gleich. Der Nachweis dafür gelang mit einer Genauigkeit von 10─20. Wäre das nicht der
Fall, würden zwischen Körpern, welche aus der gleichen Anzahl Protonen und Elektronen bestehen, Kräfte wirken, welche wesentlich größer
als die Gravitationskräfte wären. Niemand kennt den zwingenden Grund warum die Ladung so exakt gequantelt ist.
Anziehung
Abstoßung
Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an.
Dies könnte auch anders sein, wie die Gravitation zeigt.
El. Kraft
Die elektrische Kraft zwischen Elementarteilchen ist ca. 1042 mal größer als die Massenanziehung zwischen ihnen.
Gravitations- Dieser Faktor liegt außerhalb des Vorstellbaren. Auf große Distanzen wirken trotzdem nur die Gravitationskräfte. Die Kräfte zwischen den
kraft
Ladungen heben einander auf.
Wirkungslinie
der
Kraft
Betrag
der
Kraft
Kraft
und
Abstand
Proportionalitätskonstante
Additive
Kräfte
Die Kraft zwischen zwei Punktladungen hat die Richtung ihrer Verbindungslinie.
Der Raum an und für sich kann ja keine Richtung bevorzugen. Er ist als isotrop definiert. Die Aussage scheint daher ─ mit Vorsicht ─
selbstverständlich zu sein.
Die Kraft zwischen zwei Ladungen, ist proportional dem Produkt der beiden Ladungen.
Diese Aussage kennen wir als das Newtonsche Reaktionsprinzip von der entsprechenden Formulierung der Gravitation. Werden die
Ladungen unabhängig von ihrer Kraftwirkung definiert ("Auslöffeln" einer Leidenerflasche) ist sie auch direkt verifizierbar. Andernfalls
muss die Ladung über die Kraft welche in einem el. Feld auf sie einwirkt bzw. durch das Feld welches sie erzeugt definiert werden.
Zwischen felderzeugender und feldbeeinflußter Ladung wird Proportionalität vorausgesetzt (F ~ QQ´).
Die Kraft zwischen zwei Ladungen ist proportional dem Quadrat ihres Abstandes.
Warum so und nicht anders? Wäre das nicht so, würde z.B. das elektrostatische Feld im Inneren einer gleichmäßig geladenen Hohlkugel
nicht verschwinden. Die Quantenfeldtheorie zeigt, dass ein r ─2 Kraftgesetz notwendig mit einer verschwindenden Ruhmasse der Teilchen
(hier die Photonen) verbunden ist, die das Feld übertragen. Hätte das Photon eine Ruhmasse, müsste die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
frequenzabhängig sein. Das r ─2 Gesetz muss für große Entfernungen mindestens bis zum Mond richtig sein. Für Abstände kleiner als 10 ─14m
wird die Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen nach dem Coulomb-Gesetz, von anderen Kräften überdeckt.
Die Proportionalitätskonstante zur Berechnung der Kraft zwischen Ladungen hängt von der Definition der Ladungseinheit ab.
Im CGS-System ist die Einheitsladung über die Kraft definiert mit der sie mit einer gleich großen anderen Ladung in einem bestimmten
Abstand wechselwirkt. Im SI-System ist die Ladung durch ihre dynamische Wirkung, nämlich dem Strom definiert. Die
Proportionalitätskonstante ist hier um den Faktor c /10 = 3·107 größer.
Kräfte die von Ladungen ausgehen sind additiv.
Dies gilt für alle beliebig angeordneten Ladungen. Eine Ladung erfährt an ihrem Ort von zwei Ladungen an einem anderen Ort genau die
vektorielle Summe der Kräfte, welche sie von jeder einzelnen der beiden anderen Ladungen allein erfahren würde. Bei Gravitationskräften
genügt es im allgemeinen den Abstand vom Massenmittelpunkt aus zu messen. Bei geladenen ausgedehnten Kugeln lässt sich das
Proportionalitätsgesetz nicht so ohne weiteres anwenden, weil die Ladungen auf der Kugel verschiebbar sind. Ladungsverschiebungen oder
Influenz sind verantwortlich dafür, dass auch ausgedehnte Körper welche im ganzen ungeladen sind, auf Grund ihrer örtlichen
Oberflächenladung durch andern Ladungen angezogen werden.
Wenn wir von den Kernkräften absehen, ist für den Aufbau von Atomen, Molekülen und Körpern ausschließlich die
elektromagnetische Wechselwirkung von Bedeutung.
Veröffentlicht unter GPL von www.bin-br.at - Urheber: Ba 21.04.2012 14:26
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