Gravitation und elektromagnetische Kraft
Gravitation und elektromagnetische Kraft sind die zwei Grundkräfte, die uns im alltäglichen Leben ständig begegnen.
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Dieser Berg hat Potential
Die elektromagnetische Kraft
Die elektromagnetische Kraft (elektromagnetische Wechselwirkung) und die Gravitation haben einige Gemeinsamkeiten. Beide Kräfte haben eine unendliche Reichweite und beide spielen in unserem täglichen Leben eine entscheidende Rolle. Die meisten Kräfte in der klassischen Physik lassen sich durch die elektromagnetische Kraft erklären, zum Beispiel die elektrische Energie (Strom für elektrische Geräte), Oberflächenspannung, Reibung, chemische Reaktionen, optische Phänomene, Magnetismus, Blitze.
Elektrische Energie
Die elektrische Energie ist eine von vielen Energieformen, die alle ineinander umwandelbar sind.
Beispiele:
- Chemische Energie: Diese Energie steckt in den Bestandteilen, Atomen und Molekülen der Nahrungsmittel oder zum Beispiel auch in Batterien.
- Thermische Energie: Im heißen Tee steckt mehr thermische Energie als im Eistee.
- Potenzielle Energie: Am Fuß des Berges hat das Wiesel weniger potenzielle Energie als am Gipfel.
Die potenzielle Energie im Wiesel ist unterschiedlich stark, je nachdem, wo am Berg sich das Wiesel befindet. Genau so kann auch die elektrische Energie eines geladenen Teilchens unterschiedlich stark sein.
Die elektrische Energie ist sozusagen die potenzielle Energie des geladenen Teilchens.
Als Maßeinheit für die elektrische Energie werden Wattsekunde $$ [W \cdot s] $$ oder Joule [J] verwendet.
$$ [J] = [W \cdot s] $$
- q … Ladung
- U … elektrische Spannung [J/C]
- m … Masse
- $$ U_g $$ … „Gravitations-Spannung“ [J/kg]
$$ U_g $$ $$= g \cdot h $$= Ortsfaktor $$\cdot$$ Höhe
Wie stark die potenzielle Energie des Wiesels im Gravitationsfeld ist, hängt davon ab, wie groß die Masse des Wiesels ist und in welcher Höhe bzw. an welchem Ort sich das Wiesel befindet. Sehr ähnlich ist es mit der Spannung beim elektrischen Feld. Die elektrische Spannung ersetzt in diesem Vergleich das Produkt aus Höhe mal Ortsfaktor. Sie drückt sozusagen die Ladungen den Berg hinunter und ist der Grund für ihre Bewegung. Ihr Formelzeichen ist deshalb ein großes U (von lateinisch: urgere – „drängen“, „drücken“).
Die elektrische Spannung wird in Volt bzw. Joule pro Coulomb angegeben.
1 V = 1 J/C
[V] = [J/C]
Die elektrische Ladung hat das Formelzeichen q. Sie gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss oder der Elektronenmangel eines Körpers ist. Ihre Einheit ist Coulomb [C] oder Amperesekunde $$ [A \cdot s] $$.
Benannt nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736–1806), der die Elektrostatik sowie die Magnetostatik begründete und als Entdecker des coulombschen Gesetzes gilt.
1 Coulomb (1 Amperesekunde) ist die elektrische Ladung, die in 1 Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters transportiert wird, in dem ein elektrischer Strom der Stärke von 1 Ampere fließt.
Wenn keine Energie zugeführt wird, bewegen sich die geladenen Teilchen (so wie das Wiesel) immer nur den Berg hinunter – von hohem Potenzial zu niedrigem Potenzial.
Rauf und runter
Aber wie kommen Wiesel und elektrische Ladungen den Berg hinauf? Das Wiesel schafft das, indem es Nahrung zu sich nimmt und damit seine chemische Energie verstärkt. Die geladenen Teilchen schaffen das, indem sie die nötige chemische Energie zum Beispiel aus einer Batterie (galvanischen Zelle) aufnehmen.
In einer Batterie wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Batterie ist für Elektronen so etwas wie ein Schlepplift, der sie den Berg hinaufschleppt. Dabei entsteht Wärme als Nebenprodukt.
Unterschiede
Stärke
Die Gravitation spüren wir im Alltag besonders stark. Aber der Schein trügt. In Wirklichkeit ist die Gravitation die schwächste der vier Grundkräfte. Die elektromagnetische Kraft ist viel stärker als die Gravitation. Das kann man mit einem Magneten gut testen. Ein kleiner Magnet zieht Gegenstände nach oben und wirkt damit stärker als die gesamte Masse der Erde.
Elektrische Ladung
Es gibt noch einen wichtigen Unterschied zwischen Gravitation und elektromagnetischer Kraft. Nur bei der elektromagnetischen Kraft gibt es zwei Gegensätze – positive und negative Ladung.
Positive und negative Ladung ziehen einander an. Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Deshalb gibt es im elektrischen Feld die Anziehung und die Abstoßung.
Die Menge an elektrischer Ladung, die wir im Alltag spüren können, ist eine Kombination der Ladungen von Elektronen und Protonen. Die Anziehung und Abstoßung gibt es aber nicht nur bei kleinen, geladenen Teilchen (
Dabei lösen sich Elektronen von einem Stoff heraus und fließen in den anderen Stoff. Dies führt dazu, dass die Oberfläche des einen Stoffs positiv geladen ist, weil es hier nun weniger Elektronen gibt (Elektronenmangel). Und der andere Stoff ist damit negativ geladen, weil es hier nun mehr Elektronen gibt (Elektronenüberschuss).
Die Gesamtmenge an Ladung bleibt aber bei jeder Ladungstrennung erhalten.
Bei einem nichtleitenden Stoff (Isolator) sind die Elektronen an den Atomkern gebunden. Trotzdem kann auch ein solcher Stoff Ladungsträger abgeben und aufnehmen. Dazu gibt es mehrere Theorien und die wissenschaftliche Forschung dazu ist immer noch nicht abgeschlossen, obwohl diese Tatsache seit der Antike bekannt ist. Weitere Informationen zu diesem Thema findest du in folgendem LeseBuch.
Durch Reibung wird diese Kontaktelektrisierung effektiver, weil sich die Objekte dadurch auf einer größeren Oberfläche berühren.
Triboelektrische Reihe
Die triboelektrische Reihe (von griechisch: tribos – „Reibung“) gibt die Affinität eines Materials für Elektronen an. Je weiter oben ein Material in der Reihe steht, umso mehr Elektronen gibt es bei Berührung an ein weiter unten stehendes Material ab.
In welche Richtung wandern die Elektronen?
Wie gut die Ladungstrennung funktioniert, hängt auch noch von weiteren Faktoren ab, zum Beispiel von der Temperatur oder der Oberflächenbeschaffenheit. Die folgenden Experimente funktionieren am besten im Winter, wenn die Raumluft durch die Heizung trockener ist.
Elektroskop
Ein Elektroskop ist ein Gerät, mit dem man die elektrische Ladung sichtbar machen und messen kann. Es funktioniert auf Basis der Anziehung und Abstoßung elektrischer Ladungen.
Wenn man einen negativ geladenen Gegenstand nahe genug an die Kontaktfläche des Elektroskops heranführt (siehe Abbildung 12 unten), wandern Elektronen aus dem Gegenstand heraus und in Metallstab und Metallzeiger hinein. Metallstab und Metallzeiger sind nun negativ geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Durch diese Abstoßung schlägt der Metallzeiger aus.
Wenn man einen positiv geladenen Gegenstand nahe genug an die Kontaktfläche des Elektroskops heranführt, wandern Elektronen aus Metallstab und Metallzeiger heraus und in den Gegenstand hinein. Der damit entstandene Elektronenmangel führt dazu, dass Metallstab und Metallzeiger nun positiv geladen sind und sich gegenseitig abstoßen. Durch diese Abstoßung schlägt der Metallzeiger aus.
Je stärker die elektrische Ladung ist, umso stärker schlägt der Metallzeiger aus.
Untersuche, wie ein Elektroskop bei positiver und negativer Ladung reagiert!
Ein Elektroskop zeigt die Menge der elektrischen Ladung an. Man kann aber nicht ablesen, ob es eine positive oder eine negative Ladung ist. Es ist sogar ziemlich einfach, selbst ein Elektroskop zu basteln.
Elektrisch neutrale Körper
Eine Besonderheit der elektromagnetischen Kraft ist außerdem, dass sie neutralisiert werden kann. Nebeneinander liegende positive und negative Ladungen wirken auf eine dritte, weiter entfernte Ladung in Summe elektrisch neutral.
Auch die elektromagnetische Kraft hat eine unendliche Reichweite und sie ist sogar viel stärker als die Gravitation. Über große Entfernungen ist diese Wirkung aber praktisch nicht spürbar. Denn dafür müsste ein sehr großer Körper (
Fantasielabor
Versuche, in unserem Fantasielabor einen möglichst großen Körper zu erzeugen! Injiziere beliebig viele positive und negative Ladungen und beobachte, was passiert!
