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Das
elektrische Feld - Einführung Begriff: Felder Ein Hauptthema in der Q1 ist der Begriff des „Feldes“. Aus der Mittel- stufe dürfte das „Magnetfeld“ bekannt sein. Anhand dieses Feldes wollen wir uns einmal allgemeiner mit dem Feldbegriff beschäftigen. Das Magnetfeld Zunächst einmal ist wichtig, dass ein Magnetfeld nur auftritt, wenn man einen Magneten hat. Ein Magnet macht sich dadurch erkennbar, dass er Kräfte auf Körper ausübt, nämlich auf Körper, die Eisen, Nickel oder Kobalt enthalten. Hinweis:
Exakter geht es hier um Ferromagnete und nur die bekanntestes drei. Genauere
Informationen finden sich
bei wikipedia unter den Links: - Magnet; - Ferromagnetismus Für ein Feld muss ein Körper also eine bestimmte Eigenschaft auf- weisen. Diese Eigenschaft muss dazu führen, dass er Kräfte auf andere Körper ausüben kann, die dieselbe Eigenschaft besitzen. Ein Magnet übt Kräfte auf andere Magnete aus. Die Vorstellung ist (Feldbegriff von M.Faraday), dass die besondere Eigenschaft des Körpers dazu führt, dass er seine Umgebung ver- ändert, so dass auf andere Körper gleicher Eigenschaft Kräfte ausge- übt werden.
Um also zu erkennen, ob ein Feld vorliegt, müssen Kräfte auf Körper ausgeübt werden. Eine frei bewegliche Magnetnadel richtet sich auf der Erde immer in Nord-Süd-Richtung aus. Sie erfährt also Kräfte. Es muss daher ein Magnetfeld vorliegen, nämlich das Magnetfeld der Erde. (s.
Video 1) Man versucht sich auch noch ein „Bild“ von diesem Feld zu machen. Dies geschieht über die Feldlinien. Die Feldlinien geben immer an, in welche Richtung die Kraft zeigt. Wenn man also ein Feldlinien- bild zeichnen will, muss man wissen, in welche Richtung die Kräfte an jeder Stelle des Feldes zeigen. Dies geschieht meist durch viele Probekörper, die man in das Feld einbringt oder man fährt mit einem Probekörper mehrere Stellen ab und schaut jedesmal, wohin die Kräfte ausgerichtet sind. Im Magnetfeld bestehen die vielen Probe- körper häufig aus Eisenfeilspäne, die sich entsprechend im Magnet- feld ausrichtet. Die Probekörper sollten möglichst klein sein, weil ja jeder Probekörper selber auch wieder sein eigenes Feld erzeugt, welches das Feld des untersuchten
Körpers überlagert (s. Video 2) Man kann natürlich nicht alle Feldlinien zeichnen, sondern trifft eine Auswahl, so dass man einen Eindruck von dem Verlauf bekommt. Um deutlich zu machen, an welchen Stellen besonders große Kräfte herrschen, benutzt man die „Dichte der Feldlinien“. Je dichter die Feld- linien liegen, um so größer sind die Feldkräfte. Also muss beim Magnetfeld in der Nähe der Pole die Feldlinendichte groß sein. Um ein gleichmäßiges oder homogenes Feld (Kräfte überall gleich groß) zu veranschaulichen, müssen die Feldlinien den gleichen Abstand haben, d.h. dieselbe „Dichte“ ausweisen, z.Bsp. im Inneren eines Hufeisenmagneten geht man näherungsweise von einem homogenen Feld aus. Bilder von Magnetfeldern
(Quelle: https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3791) Beachte:
Es wird eine Feldrichtung vorgegeben (s. Pfeilrichtung). Beim Magnetfeld
zeigt das Feld in die Richtung,
in die der Nordpol einer kleinen Magnetnadel (Probekörper) im Feld zeigen
würde. An den Polen des
Stabmagneten ist das Feld am stärksten. Daher liegt hier eine große
Feldliniendichte („Anzahl der Feldlinien“ pro
Volumeneinheit) vor. Das homogene Magnetfeld im Inneren des Hufeisenmagneten
zeigt sich an den parallelen
Feldlinien gleichen Abstandes, also gleicher Dichte. Die Vorstellung ist nun, dass nicht der Körper selber die Kräfte aus- übt, sondern das Feld die Ursache der Kräfte ist. Das Feld ist der Vermittler der Kraftübertragung. Die Ausbreitung des Feldes im Raum geschieht übrigens mit Lichtgeschwindigkeit.
In
welche Richtung zeigt denn nun die Kraft, wenn die Feldlinien die Kraftrichtung angeben? Es liegt doch eine gekrümmte Linie vor. Man wählt
sich einen Punkt auf der Feldlinie, in den man den Kraft- vektor
eintragen will. Gesucht ist jetzt die Tangente
des Graphen in diesem
Punkt, dann weiß man die Kraftrichtung. Wir gehen hier wie in der
Mathematik vor. Man vergrößert die Stelle um den Punkt immer mehr.
Der Graph wird immer geradliniger. Die Gerade, die man dann bei
sehr großer Vergrößerung erhält, entspricht dann der Tangenten. Die
Tangentenrichtung gibt die Kraftrichtung an. In
folgenden Abbildungen wird dies einmal schematisch für den Stab- magneten
gezeigt.
Wir halten fest:
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