Elektrische, magnetische und Gravitationsfelder
Ein Apfel fällt vom Baum, ein Magnet zieht einen Nagel an, ein geriebenes Lineal hebt Papierschnipsel hoch. In allen drei Fällen wirkt eine Kraft, ohne dass sich die Körper berühren. Wie ist das möglich? Und sind das drei verschiedene Phänomene oder steckt dahinter eine gemeinsame Idee?
Was ist ein Feld?
Physiker sagen: Ein Körper verändert den Raum um sich herum. In diesem Raum wirkt dann auf andere Körper eine Kraft. Diesen Zustand des Raumes nennt man Feld.
Es gibt drei Feldarten, die du kennen musst:
| Feldart | Erzeugt von | Wirkt auf |
|---|---|---|
| Gravitationsfeld | jedem Körper mit Masse (z. B. Erde, Sonne) | jeden Körper mit Masse |
| Elektrisches Feld | elektrischen Ladungen (z. B. geriebenes Lineal) | elektrisch geladene Körper |
| Magnetisches Feld | Dauermagneten, stromdurchflossenen Leitern und Spulen | Magnete und Eisen, Nickel, Cobalt |
Die Gewichtskraft kennst du aus Klasse 7: $F_G = m \cdot g$ mit $g = 9{,}81\,\tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$. Sie entsteht, weil die Erde ein Gravitationsfeld hat.
Nenne für jede Feldart (elektrisches Feld, magnetisches Feld, Gravitationsfeld) ein Beispiel für einen Körper, der das Feld erzeugt.
Nenne für jede Feldart (elektrisches Feld, magnetisches Feld, Gravitationsfeld) ein Beispiel für einen Körper, der das Feld erzeugt.
Feldlinien
Felder sind unsichtbar. Mit Feldlinien zeichnet man sie. Eine Feldlinie zeigt an jedem Punkt die Richtung der Kraft. Wo die Linien dicht beieinanderliegen, ist das Feld stark.
Beim Magnetfeld macht man die Linien mit Eisenfeilspänen sichtbar: Du streust sie auf ein Blatt über einen Stabmagneten und klopfst leicht. Die Späne werden selbst kleine Magnete und ordnen sich entlang der Feldlinien. Alternativ zeigen viele kleine Kompassnadeln die Richtung.
Elektrische Feldlinien dagegen beginnen an positiven Ladungen und enden an negativen. Sie sind nicht geschlossen. Gravitationsfeldlinien zeigen immer auf den Körper, der das Feld erzeugt.
Beschreibe, wie man den Verlauf eines magnetischen Feldes um einen Stabmagneten sichtbar machen kann, und gib an, wie Feldlinien am Nord- und Südpol verlaufen.
Beschreibe, wie man den Verlauf eines magnetischen Feldes um einen Stabmagneten sichtbar machen kann, und gib an, wie Feldlinien am Nord- und Südpol verlaufen.
Die Feldlinien eines Feldes verlaufen von positiven zu negativen Ladungen und schließen sich nicht in sich selbst, die Feldlinien eines anderen Feldes bilden…
Die Feldlinien eines Feldes verlaufen von positiven zu negativen Ladungen und schließen sich nicht in sich selbst, die Feldlinien eines anderen Feldes bilden geschlossene Kurven.
- a) Ordne beide Beschreibungen den passenden Feldarten zu.
- b) Erkläre, warum es magnetische Nord- und Südpole nur gemeinsam gibt.
Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Alle drei Felder haben etwas gemeinsam: Sie wirken ohne Berührung durch den Raum, ihre Kraft wird mit der Entfernung schwächer, und man kann sie mit Feldlinien darstellen.
Die Unterschiede zeigt die Tabelle:
| Gravitationsfeld | Elektrisches Feld | Magnetisches Feld | |
|---|---|---|---|
| Ursache | Masse | Ladung | Magnete, bewegte Ladungen (elektrischer Strom) |
| Kraft | immer anziehend | anziehend und abstoßend (gleiche Ladungen stoßen sich ab) | anziehend und abstoßend (gleiche Pole stoßen sich ab) |
| Betroffene Körper | alle Körper | geladene Körper (auch ungeladene werden beeinflusst: Papier am Lineal) | nur Magnete und Eisen, Nickel, Cobalt |
| Feldlinien | zeigen zur Masse | beginnen an positiven, enden an negativen Ladungen | geschlossene Kurven |
| Abschirmung | nicht möglich | möglich (z. B. Metallkäfig) | teilweise (Eisen lenkt Feldlinien um) |
Ein Beispiel für die Zuordnung: Ein Eisennagel wird vom Magneten angezogen (Magnetfeld), ein Papierstück vom geriebenen Kunststofflineal (elektrisches Feld), der Apfel fällt (Gravitationsfeld). Das Papier ist nicht magnetisch und wird deshalb vom Magneten nicht angezogen.
Entscheide für jede Aussage, ob sie zu elektrischen Feldern, magnetischen Feldern, Gravitationsfeldern oder mehreren gehört: a) Es gibt anziehende und abstoßende Kräfte.…
Entscheide für jede Aussage, ob sie zu elektrischen Feldern, magnetischen Feldern, Gravitationsfeldern oder mehreren gehört:
- a) Es gibt anziehende und abstoßende Kräfte.
- b) Die Kraft ist immer anziehend.
- c) Das Feld wird durch elektrischen Strom (bewegte Ladungen) erzeugt, nicht aber durch ruhende Ladungen.
Erstelle eine Tabelle, die elektrische, magnetische und Gravitationsfelder nach folgenden Kriterien vergleicht: Ursache des Feldes, Art der Kraft (anziehend/abstoßend),…
Erstelle eine Tabelle, die elektrische, magnetische und Gravitationsfelder nach folgenden Kriterien vergleicht: Ursache des Feldes, Art der Kraft (anziehend/abstoßend), betroffene Körper, Abschirmbarkeit.
Ein Eisennagel wird von einem Magneten angezogen, ein Stück Papier wird von einem geriebenen Kunststofflineal angezogen, und ein Apfel fällt vom Baum. a) Ordne jedem…
Ein Eisennagel wird von einem Magneten angezogen, ein Stück Papier wird von einem geriebenen Kunststofflineal angezogen, und ein Apfel fällt vom Baum.
- a) Ordne jedem Vorgang die Feldart zu.
- b) Erkläre, warum der Magnet das Papier nicht anzieht.
Vergleiche Gemeinsamkeiten und Unterschiede von elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld in einem zusammenhängenden Text. Gehe auf Ursache, Wirkung auf Körper,…
Vergleiche Gemeinsamkeiten und Unterschiede von elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld in einem zusammenhängenden Text. Gehe auf Ursache, Wirkung auf Körper, Richtung der Kraft und Reichweite ein.
Felder in Technik und Natur
Elektrisches und magnetisches Feld hängen zusammen. Ein Strom erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnet, Klasse 6). Umgekehrt entsteht beim Generator eine Spannung, wenn sich ein Magnetfeld in einer Spule ändert (elektromagnetische Induktion). In jedem Kraftwerk wird so eine Spule im Magnetfeld bewegt, zum Beispiel in einem Wasserkraftwerk an der Rurtalsperre.
Ein Elektromagnet in der Nähe eines Kompasses lenkt die Nadel ab. Sein Magnetfeld ist stärker als das der Erde und überlagert es. Die Nadel zeigt dann zum Feld des Elektromagneten, nicht mehr nach Norden.
Für Gravitationsfelder kennt man keine solche Anwendung. Das Feld hängt nur von der Masse ab, man kann es weder ein- noch ausschalten noch abschirmen. Und Massen ziehen sich immer nur an. Ändert sich das Feld durch bewegte Massen, ist der Effekt im Alltag so winzig, dass es keine technische Nutzung wie bei der Induktion gibt. Bei alltäglichen Massen ist die Kraft außerdem winzig. Nur bei sehr großen Massen wie Erde, Sonne oder Schwarzen Löchern spielt sie eine Rolle.
Beim Generator in einem Kraftwerk entsteht durch Bewegung einer Spule im Magnetfeld eine elektrische Spannung. a) Erkläre, wie dieses Beispiel eine Verbindung zwischen…
Beim Generator in einem Kraftwerk entsteht durch Bewegung einer Spule im Magnetfeld eine elektrische Spannung.
- a) Erkläre, wie dieses Beispiel eine Verbindung zwischen magnetischem und elektrischem Feld zeigt.
- b) Begründe, warum man für Gravitationsfelder keine entsprechende technische Anwendung kennt, bei der durch Bewegung im Gravitationsfeld ein anderes Feld oder eine elektrische Spannung entsteht.
Ein Schüler behauptet: „Die Erde hat ein Gravitationsfeld und ein Magnetfeld. Der Kompass richtet sich nach der Gravitation aus.“ a) Beurteile die Aussage. b) Erkläre,…
Ein Schüler behauptet: „Die Erde hat ein Gravitationsfeld und ein Magnetfeld. Der Kompass richtet sich nach der Gravitation aus.“
- a) Beurteile die Aussage.
- b) Erkläre, warum ein Kompass in der Nähe eines Elektromagneten falsch anzeigt.
- c) Nenne eine Gemeinsamkeit von Gravitationsfeld und Magnetfeld der Erde.
Zurück zum Anfang: Apfel, Magnet und Lineal wirken über Felder. Das Gravitationsfeld der Erde zieht den Apfel an, das Magnetfeld den Nagel, das elektrische Feld das Papier.