Wechselwirkungen und Felder Lernziele: • Die grundlegenden Wechselwirkungen der Physik und die daraus resultierenden Kräfte kennen und mit Bereichen aus dem Alltag und der Technik in Verbindung bringen können. • Die elementaren Eigenschaften der elektischen Ladung kennen und Auswirkungen quantifizieren können. (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 1 Historische Entwicklung • Issac Newton (1643 - 1727) Gravitationsgesetz • Daniel Bernoulli (1700 - 1782) Leonhard Euler (1707 - 1783) Geschwindigkeitsfeld, Beschleunigungsfeld in der Hydrodynamik (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 2 Historische Entwicklung • Charles A. Coulomb (1736 - 1806) Elektrostatik, Magnetostatik • Andre Ampere (1775 - 1836) Kraft zwischen Strömen • Simeon Poisson (1781 - 1836) Potentialtheorie (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 3 Historische Entwicklung • Hans Chr. Oerstedt (1777 - 1851) bewegte elektrische Ladungen erzeugen ein Magentfeld • Michael Faraday (1791 - 1867) Elektromagnetische Induktion • James C. Maxwell (1831 - 1879) Vollständige Beschreibung elektromagnetischer Vorgänge ("Maxwell-Gleichungen)" (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 4 Vier Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung (Kernteilchen) Elektromagnetisch e Wechselwirkung (Ladung) Schwache Wechselwirkung (Elementarteilchen) GravitationsWechselwirkung (Masse) (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 5 Starke Wechselwirkung • Quelle des Feldes: Protonen, Neutronen, Pionen, Hyperonen • Kraft: Kernkraft • Stärke: 1 • Reichweite: klein (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 6 Elektromagnetische WW • Quelle des Feldes: alles, was elektrische Ladungen enthält • Kraft: Elektrische Kraft, Magnetische Kraft • Stärke: 1/100 • Reichweite: gross (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 7 Schwache Wechselwirkung • Quelle des Feldes: alle Elementarteilchen • Kraft: Schwache Wechselwirkungskraft • Stärke: 1/1015 • Reichweite: klein (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 8 Gravitations-WW • Quelle des Feldes: alle schweren Massen • Kraft: Schwerkraft • Stärke: 1/1038 • Reichweite: unbegrenzt gross (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 9 Felder (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 10 (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 11 Der allgemeine Feldbegriff Wird jedem Punkt eines Raumes eine physikalische Grösse mit einem bestimmten Betrag zugeordnet, so heisst dieser Raum ein Feld. (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 12 Feldarten Statisches Feld - Wechselfeld Skalarfeld - Vektorfeld Quellenfeld - Wirbelfeld Homogenes Feld - Inhomogenes Feld (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 13 Elektrostatik • • • • • • Elektrizität durch Reibung Das Elektroskop Die zwei Arten der Ladung Anziehung und Abstossung Laden und Entladen Ladungsspeicher (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 14 Das elektrische Feld • Feldlinienbilder • Elektrischer Fluss und Feldstärke • Wie könnte ein elektrisches Feld vermessen werden (Form, Stärke) • Warum können sich Feldlinien nicht schneiden? (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 15 2 positive Punktladungen (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 16 Positive und negative Punktladungen (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 17 4 positive Punktladungen (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 18 Platte und Spitze (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 19 Feldfluss und Feldstärke (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 20 Elektrisches Feld • Quellenfeld • Ladung Q proportional zum elektrischen Fluss E . Es gilt: Q = 0 E • Feldlinien senkrecht zur Oberfläche elektrischer Leiter. • Im Inneren eines Leiters kein Feld • Geschlossene Leiterhülle schirmt Innenraum ab • Feldstärkevektor E (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 21 Das Coulombsche Gesetz Experiment: Drehwaage: r (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 22 Coulombsches Gesetz Ladung Q1 1 1 1 1 1 1 Ladung Q2 1 1 1 Kugelabstand r Lichtzeiger d 1.00 0.50 0.25 (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 23 Coulombsches Gesetz Q1 Q2 F 2 4 0 r 1 F > 0 Abstossung F < 0 Anziehung (C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz 24