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Ladungen und Felder


Physik


Basiswissen


In der Physik unterscheidet man zwei Arten von Ladungen: elektrische Ladung und Farbladung. Die Farbladungen gehören zu den sogenannten Quarks und Gluonen und spielen nur in der Kernphysik eine Rolle. Das Thema Ladungen und Felder bezieht sich nur auf elektrische Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern. Das ist hier kurz vorgestellt.

Was ist eine elektrische Ladung?


Ladungen im eigentlichen Sinn sind immer elektrische Ladungen. Es gibt nur positive (+) und negative (-) Ladungen. Es gibt insbesondere keine neutralen Ladungen. Wenn etwas neutral ist, also weder positiv noch negativ, dann nennt man es neutral oder ladungsfrei. Ladungen kommen immer nur als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung vor. Es gibt kein Teilchen (und auch sonst nichts), dass etwa 0,8 mal die Elementarladung hat oder auch 2,5 mal die Elementarladung. Möglich sind aber zum Beispiel das 0fache, das 1fache, das 2fache, das 3fache und so weiter. Eine weitere bemerkenwerte Eigenschaft von Ladungen ist, dass sie immer nur in Verbindung mit Teilchen vorkommen. Eine Ladung kann an einem Elektron, einem Proton oder auch Ion hängen, kommt aber nie isoliert für sich alleine vor. Ladungen scheinen auch keine Masse zu haben. Lies mehr unter elektrische Ladung ↗

Was ist ein Feld an sich?


Ein Feld in der Physik ist zunächst nur ein rein gedankliches Konstrukt. Es ordnet jedem Punkt im Raum eine irgendwie geartete physikalische Eigenschaft zu. Wenn man jedem Punkt im Raum eine Temperatur zuordnet, dann hat man ein Temperaturfeld. Wenn man jedem Punkt im Raum eine momentan dort herrschende Windgeschwindigkeit zuordnet, dann hat man ein Windgeschwindigkeitsfeld. Und wenn man jedem Punkt im Raum eine Kraft (zum Beispiel in Newton) zuordnet, die dort auf eine elektriche Ladung von einem Coulomb wirken würde, dann hat man ein elektrisches Feld. Lies mehr zur Idee des Feldes im Artikel Felder ↗

Ruhende Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld


Ruhende Ladungen erzeugen immer ein elektrisches Feld um sich herum und auch nur ein elektrisches Feld, nicht etwa auch ein Magnetfeld. Die Teilchen der elektrischen Ladung, die Ladungsträger, haben immer auch Masse und sie erzeugen damit auch ein Gravitationsfeld um sich herum. Das Gravitationsfeld ist jedoch extrem viel schwächer als die elektrische Ladung und kann meistens von der Wirkung her völlig vernachlässigt werden. Das elektrische Feld breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit im Raum aus. Im Vakuum ist das die Lichtgeschwindigkeit. Siehe auch elektrisches Feld ↗

Bewegte Ladungen erzeugen ein elektrisches und ein magnetisches Feld


Eine bewegte Ladung erzeugt immer, wie eine ruhende Ladung, ein elektrisches Feld um sich herum. Zusätzlich erzeugt sie immer auch ein Magnetfeld. Das kann nicht verhindert werden. Das klassische Experiment dazu heißt Oerstedscher Magnetnadelversuch ↗

Teilgebiete der Physik zu Ladungen und Feldern


Das Thema Ladungen in Feldern unterteilt sich in zwei große Teilgebiet: die Statik (Elektrostatik, Magnetostatik) sowie die Dynamik (Magnetodynamik). Die Statik behandelt alle Phänome, die auch dann auftreten können, wenn sich die Teilchen relativ zu den Feldern nicht bewegen. Die Dynamik hingegen betrachtet alle Phänomenen, die nur dann auftreten, wenn sich ein geladenes Teilchen relativ zu einem Feld bewegt. Während die Statik vergleichsweise einfach ist, wird die Dynamik auch in ihrer mathematischen Handhabung sehr schnell sehr schwer. Die Statik und Dynamik fasst man oft zusammen unter dem Stichwort Elektromagnetismus


Sonderfall ruhende Ladung im elektrischen Feld


Auf eine ruhende Ladung in einem elektrischen Feld wirkt ausschießlich die Coulombkraft. Es treten keinerlei magnetischen Kräfte auf.


Sonderfall bewegte Ladung im elektrischen Feld


Auf eine bewegte Ladung in einem elektrischen Feld wirkt dieselbe Coulombkraft wie auf eine ruhende Ladung. Die Bewegung der Ladung hat keinen Einfluss auf die Größe der Kraft.


Sonderfall bewegte Ladung in Magnetfeld


Auf eine ruhende Ladung in einem Magnetfeld wirken keinerlei Kräfte. Wird die Ladung allerdings bewegt, dann wirkt eine Kraft, die von der Geschwindigkeit und der Richtung der Bewegung abhängt.


Sonderfall elektrische Ladung in einem zeitlich veränderlichen Magnetfelfd


Befindet sich eine elektrische Ladung in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld, etwa ein Feld, das sich auf- oder abbaut, dann wirkt immer eine Kraft auf diese Ladung. Die Kraft ist umso stärker, je schneller sich das Magnetfeld ändert. Dieses Prinzip ist die Grundlage der Induktion ↗