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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)
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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
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Gravitations-WW
• Quelle des Feldes: alle schweren Massen
• Kraft: Schwerkraft
• Stärke: 1/1038
• Reichweite: unbegrenzt gross
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Felder
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12(C) 1999-2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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
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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