Basiswissen

Teilchen steht in der Physik meist für sehr klein gedachte Obekte wie die submikroskopischen Elektronen, Protonen, Neutronen oder auch Beta-, Alpha und Gammateilchen. Bei Feldern, die auf Teilchen einwirken können, kann man vor allem an elektrische Felder sowie an Magnet- und Gravitationsfelder denken. Oft interessiert die Form der Bahn, mit der sich ein Teilchen durch ein solches Feld bewegt. Felder sind dabei Denkkonstrukte, die jedem Punkt im betrachteten Raum eine irgendwie geartete Einflussnahme auf die Teilchen zuordnen.

In elektrischen und magnetischen Feldern

Art des Teilchen

Eine erste wichtige Unterscheidung ist die nach der Art der Teilchen. Mindestens drei Fälle kann man unterscheiden: a) ob das Teilchen selbst magnetisch oder magnetisierbar ist, b) ob es eine elektrische Ladung (+ oder -) trägt, und falls nicht, ob es c) polarisierbar ist oder nicht. Polarisierbar heißt, dass ein Teilchen als Ganzes neutral ist. Weder die negativen noch die negativen Ladungen in ihm überiegen. Aber falls man die negativen und positiven Ladung innerhalb des Teilchen relativ zueinander verschieben kann, ist das Teilchen auf einer Seite mehr positiv und auf der anderen Seite mehr negativ dann. Diesen Zustand nennt man polarisiert. Und es sind auch Kombinationen der obigen Fälle möglich.

Mit oder ohne Bewegung?

Eine zweite Unterscheidung betrifft die Bewegung. Es gibt Kräfte und Felder selbst, die nur auftreten wenn sich Dinge relativ zueinander bewegen. Albert Einstein stelle diesen Befund an den Anfang seiner revolutionären Schrift aus dem Jahr 1905.^[1] Die Beobachtung ist also alles andere als selbstverständlich: bewegt sich eine elektrisch Ladung relativ zu einem Beobachter, so nimmt dieser ein Magnetfeld um das Teiclhen wahr. Läuft ein Beoachter so neben der Ladung nebenher, dass sie von ihm aus gesehen in Ruhe ist, nimmt dieser Beobachter kein Magnetfeld wahr. Wie sich die Dinge zueinander bewegen ist das Sesam-öffne-dich zur sogenannten Elektrodynamik. Und wenn bei elektrisch geladenen Teilchen Bewegung im Spiel ist, lassen sich elektrische und magnetische Effekte nicht mehr voneinander trennen. Spielt Bewegung für ein Phänomen keine notwendige Rolle, dann lassen sich die Effekte trennen und man spricht wahlweise von einer Elektrostatik oder Magnetostatik.

Elektrisches Feld auf eine neutrale, nicht polarisierbare Ladung: keine Kraft

Elektrisches Feld auf eine unbewegte elektrische Ladungen 👉 Coulombkraft

Elektrisches Feld auf Elektronenstrahl 👉 Wehneltzylinder

Elektrisches Feld auf polarisierbare Wasserteilchen 👉 Wasser-Influenz-Versuch

Elektrisches Feld auf geladene Ölteilchen 👉 Millikan-Versuch

Elektrisches Feld auf Elektronen im Atom 👉 Bohrsches Atommodell

Magnetisches Feld auf eine unbewegte elektrische Ladung: keine Kraft

Magnetisches Feld auf magnetisierbares Teilchen 👉 magnetischer Dipol

Magnetisches Feld auf magnetisierbare Teilchen 👉 Magnetfeldlinien

Magnetisches Feld auf bewegte Ladung in Leiter 👉 Hall-Effekt

Magnetisches Feld als Käfig für Plasma 👉 TOKAMAK

Magnetisches Feld auf bewegte Elektronen 👉 Helmholtz-Spule

Magnetisches Feld auf bewegte Elektronen 👉 Fadenstrahlrohr

Magntisches Feld auf Ionen des Sonnenwinds 👉 Polarlicht

Elektromagnetisches Feld auf eine bewegte Ladung 👉 Lorentzkraft

Elektromagnetisches Feld auf Elektronenstrahlen 👉 Braunsche Röhre

Elektromagnetisches Feld beschleunigt Elektronen 👉 Elektronenkanone

Elektromagnetisches Feld beschleunigt Ionen 👉 Linearbeschleuniger

Elektromagnetisches Feld beschleunigt Ionen 👉 Kreisbeschleuniger

Elektromagnetisches Feld beschleunigt Ionen 👉 Zyklotron

Elektromagnetisches Feld beschleunigt Ionen 👉 Synchrotron

In Gravitationsfeldern

Teilchen, die eine Masse haben (z. B. Elektronen, Protonen, Neutronen, Staub, Wassertropfen, Moleküle, Atome) ziehen sich mit anderen solchen Teilchen immer gegenseitig an. Ist eines der Teilchen sehr groß im Vergleich zum anderen, etwa die Erde im Vergleich zu einem Stein, dann denkt man sich um das große Teilchen ein Gravitations- oder Schwerefeld. Dieses modellhafte^[2] Gravitationsfeld wirkt dann immer anziehend auf jedes andere Teilchen mit Masse.

Geschosse, Objekte erdnah ohne Luftwiderstand 👉 Fallgesetze

Geschosse ohne Einfluss der Luftreibung und ohne Erdkrümmung 👉 Wurfparabel

Geschosse mit Einfluss der Luftreibung und mit Erdkrümmung 👉 Ballistische Kurve

Teilchen die in Gasen oder Flüssigkeiten herabsinken (z. B. Millikan-Versuch) 👉 Stokessche Gleichung

Feynmans 4·10⁴²

Wichtig ist es, die Stärke der Gravitationskraft im Vergleich zu den elektrischen und magnetischen Kräften im Augue zu behalten. Zwei Elektronen (-) stoßen sich gegenseitig mit ihrer Coulombkraft gut 4·10⁴² (vier Septillionen) mal so stark ab wie sie sich aufgrund ihrer Masse gegenseitig anziehen würden.^[3] Dieses Verhältnis ist unabhängig von ihrer Entfernung. Für alle praktischen Zwecke kann man also die Gravitationskraft kleiner Teilchen vernachlässigen, wenn gleichzeitig die elektorstatische Coulombkraft oder die elektromagnetische Lorentzkraft mit im Spiel sind. Das ist der Grund, warum man zum Beispiel bei der Berechnung der Kraft von geladenen Teilchen aus dem Sonnenwind, wenn sie ins Erdmagnetfeld eintauchen und Polarlichter erzeugen, nicht auch die Anziehungskraft der Erde mit berücksichtig.

In Wahrscheinlichkeitsfeldern

Die moderne Physik ist eine Physik der Wahrscheinlichkeiten. Die klassische Idee, dass man für jeden einzelnen Vorgang in der Welt im Voraus genau angebeben kann, wie die Geschichte auch in Zukunft weiter geht, ist heute nicht mehr haltbar. Die wirklich fundamentalen Formeln der Physik machen bloß noch Aussagen darüber, in welche Richtung sich ein Prozess mit welcher Wahrscheinlichkeit weiter entwickeln könnte. So gedacht, gibt ein Feld an, wie jeder Punkt im Raum die Wahrscheinlichkeit für bestimmte Beobachtungsergebnisse verändert. So kommt man zum Begriff der Wahrscheinlickeitsfelder. Hier sind einige Phänomene, die diese Sicht stützen.

Elektronen, Neutronen, Photonen im 👉 Doppelspaltexperiment

Elektronen im elektrischen Feld in einem Gas 👉 Ramsauer-Effekt

Elektronen im Wahrscheinlichkeitsfeld eines Atoms 👉 Orbitalmodell

Der Begriff des Wahrscheinlichkeitsfeld ist in der Literatur der Physik eher selten anzutreffen. Stattdessen findet man Worte wie Wellenfunktion oder Wahrscheinlichkeitsverteilung. Im Kern drücken sie aber die Idee von Feldern aus, die Wahrscheinlickeiten für bestimmte Beobachtungen beeinflussen. Siehe mehr unter 👉 Wahrscheinlichkeitsfeld

Fußnoten

[1] Einsteins bahnbrechende Schrift zur Relativitätstheorie, die er als fast ganz unbekannter Physiker im Jahr 1905 veröffentlichte, trägt den wenig revolutionären aber hier passenden Titel: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik und Chemie. 17, 1905, S. 891–921. Warum der Titel so gut passt, und wie er letzten Endes zur Relativitätstheorie führte, ist erkärt im Artikel zu 👉 Einsteins Induktionsparadoxon

[2] Bis zu Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1916 ging man von der Existenz einer sogenannten Gravitationskraft aus. Die Idee geht zurück auf Isaac Newton (1642 bis 1727). In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie jedoch ist der Begriff der Gravitationskraft hinfällig geworden. Er wird dort ersetzt durch die Vorstellung gekrümmter Räume. Siehe dazu mehr unter 👉 Gravitationskraft

[3] Feynman zum Verhältnis elektrostatischer zu gravitativen Kräften: "If we take, in some natural units, the repulsion of two electrons (nature’s universal charge) due to electricity, and the attraction of two electrons due to their masses, we can measure the ratio of electrical repulsion to the gravitational attraction. The ratio is independent of the distance and is a fundamental constant of nature. … The gravitational attraction relative to the electrical repulsion between two electrons is 1 divided by 4.17 × 10⁴²! The question is, where does such a large number come from?" In: Feynman, Richard P., Robert B. Leighton, and Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Vol. I. “The Theory of Gravitation.” Pasadena, CA: California Institute of Technology, 1964. Accessed January 15, 2026. https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_07.html