1(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

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 quantifi-zieren können.

2(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Historische Entwicklung

• Issac Newton (1643 - 1727)Gravitationsgesetz

• Daniel Bernoulli (1700 - 1782)Leonhard Euler (1707 - 1783)

Geschwindigkeitsfeld, Beschleunigungsfeld in der

Hydrodynamik

3(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Historische Entwicklung

• Charles A. Coulomb (1736 - 1806)Elektrostatik, Magnetostatik

• Andre Ampere (1775 - 1836)Kraft zwischen Strömen

• Simeon Poisson (1781 - 1836)Potentialtheorie

4(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

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 elektromagneti-scher Vorgänge ("Maxwell-Gleichungen)"

5(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Vier Wechselwirkungen

Starke Wechselwirkung

(Kernteilchen)

Gravitations-Wechselwirkung

(Masse)

Elektromagnetische Wechselwirkung

(Ladung)

Schwache Wechselwirkung

(Elementarteilchen)

6(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Starke Wechselwirkung

• Quelle des Feldes: Protonen, Neutronen, Pionen, Hyperonen

• Kraft: Kernkraft

• Stärke: 1

• Reichweite: klein

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Elektromagnetische WW

• Quelle des Feldes: alles, was elektrische Ladungen enthält

• Kraft: Elektrische Kraft, Magnetische Kraft

• Stärke: 1/100

• Reichweite: gross

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Schwache Wechselwirkung

• Quelle des Feldes: alle Elementarteilchen

• Kraft: Schwache Wechselwirkungskraft

• Stärke: 1/1015

• Reichweite: klein

9(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Gravitations-WW

• Quelle des Feldes: alle schweren Massen

• Kraft: Schwerkraft

• Stärke: 1/1038

• Reichweite: unbegrenzt gross

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Felder

11(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

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Der allgemeine Feldbegriff

Wird jedem Punkt eines Raumes eine physikalische Grösse mit einem bestimmten Betrag zugeordnet, so heisst dieser Raum ein

Feld.

13(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Feldarten

Statisches Feld - Wechselfeld

Skalarfeld - Vektorfeld

Quellenfeld - Wirbelfeld

Homogenes Feld - Inhomogenes Feld

14(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Elektrostatik

• Elektrizität durch Reibung

• Das Elektroskop

• Die zwei Arten der Ladung

• Anziehung und Abstossung

• Laden und Entladen

• Ladungsspeicher

15(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Das elektrische Feld

• Feldlinienbilder

• Elektrischer Fluss und Feldstärke

• Wie könnte ein elektrisches Feld vermessen werden (Form, Stärke)

• Warum können sich Feldlinien nicht schneiden?

16(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

2 positive Punktladungen

17(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Positive und negative Punktladungen

18(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

4 positive Punktladungen

19(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Platte und Spitze

20(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Feldfluss und Feldstärke

21(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

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

r

22(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Das Coulombsche Gesetz

Experiment: Drehwaage:

r

23(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Coulombsches Gesetz

Ladung Q1 Ladung Q2 Kugelabstand r Lichtzeiger d1 1 1 1 1 1

1 1.00 1 0.50 1 0.25

24(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz

Coulombsches Gesetz

F > 0 Abstossung

F < 0 Anziehung

F =1

4πε0•Q1•Q2

r2