Lüge?! AnziehungUngleichn.Pole < Elektrik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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Guten Abend!
In der 5. Klasse oder auch schon früher, wird den Kindern im Physikunterricht beigebracht "gleichnamige Pole stoßen sich ab" und "ungleichnamige Pole ziehen sich an". Ich habe seit zwei Tagen Zweifel an der Richtigkeit dieser zweiten Aussage.
Ich hole aus:
Ich unterrichte Physik unter anderem in Klasse 12 im Leistungskurs. Während man im Grundkurs beim Thema Elektrik nur die linke Handregel auswendig lernen muss, habe ich im Leistungskurs den Anspruch an die Schüler, diese linke Handregel auch physikalisch herleiten zu können. Dabei passierte in diesem Jahr etwas unerwartetes. Bei der Herleitung führte ich an, dass ein stromdurchflossener Leiter ein eigenes Magnetfeld aufbaut. Dieses Magnetfeld verläuft konzentrisch um den Leiter, Orientierung nach der linken Faustregel (siehe erstes Bild).
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Stehen äußeres Magnetfeld und Stromflussrichtung senkrecht aufeinander, so verlaufen in unserem Beispiel (siehe zweites Bild) die Feldlinien (von äußerem Feld und dem Feld des Leiters) links des Leiters parallel und rechts des Leites antiparallel zueinander.
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Ich verweise an dieser Stelle auf das den Schülern bereits bekannte elektrische Feld eines Plattenkondensators (siehe drittes Bild).
An den Randbereichen krümmen sich die Feldlinien voneinander weg, woraus wir rückschließen, dass sich gleichgerichtete Felderlinien abstoßen/verdrängen (in der Mitte des Plattenkondensators können sie sich hingegen nicht ausweichen).
Träger gleichgerichteter Feldlinien bewirken demnach abstoßende Kräfte aufeinander.
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Nimmt man nun - scheinbar konsequent - an, dass sich antiparallele Feldlinien anziehen bzw. die Träger dieser, so bekommt man bei der Erklärung der Lorentzkraft folgendes Problem: auf der linken Seite wird die gleichgerichtete Feldlinie des Leiters abgestoßen. Jedoch von jeder der äußeren Feldlinien (gleichstark, wenn man ein homogenes Feld annimmt). Der Leiter erfährt aufgrund dieser Abstoßung also keine resultierende Kraft. Betrachten wir nun die rechte Seite des Leiters. Wenn nun die antiparallele Feldlinie von den äußeren Feldlinien angezogen wird, so gibt es auch hier keine resultierende Kraft (siehe viertes Bild).
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Lösung des Dilemmas: antiparallele Feldlinien kompensieren einander. So entsteht rechts vom Leiter ein feldfreier (bzw. feldarmer) Raum (siehe fünftes Bild). Genau in diesen Raum hin wird der Leiter durch die abstoßende Wirkung von der linken Seite bewegt.
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Soweit zur Erklärung der Lorentzkraft (geschah in meinem Fall vor mehreren Wochen). Nun erzähle ich einem Freund, der selbst promovierter Physiker ist, von der Unterrichtsstunde, in der ich obigen Fehler in der Erklärung entdeckt habe. Dabei kommt mir ein Gedanke - warum ziehen sich Dauermagnete an? Ich zeichne mir die Magnete und die Feldlinien ein (siehe sechstes, siebtes und achtes Bild).
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Und werde nicht schlau daraus, ich hatte zunächst gehofft, dass die äußeren Magnetfelder links von beiden und rechts von beiden die beiden Magnete zueinander drängen. Ist jedoch nicht Fall. Da fällt mir ein, dass das Feld innerhalb des Magnets ja von Süd nach Nord verläuft. (siehe neuntes Bild)
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Es könnte daher sein, dass sich zwischen den Magneten die antiparallelen Felder tatsächlich schwächen. Die Kräfte, die die Magnete aufeinander zu bewegen lassen, sind dann eigentlich abstoßende Kräfte. Diese stammen von der gegenseitigen Verdrängung der gleichgerichteten Feldlinien, die innerhalb des Magnets verlaufen.
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Ich halte dies für wahrscheinlich, da es zum einen zum (fruchtbaren) Erklärungsmodell der Lorentzkraft passt. Zu zweiten ist die Permeabilität des Magnetenmaterials (zB Eisen oder andere Ferromagnetische Stoffe) sehr hoch (siehe Verstärkung eines Spulenfeldes durch Eisenkern), so dass die Felder innerhalb des Magnets viel stärker sind als die Felder in Luft. Somit ist verdrängende Kraft im Magnetmaterial auch sehr hoch. Zum dritten bilden zwei bereits andererklebene Magnete ein nach außen hin viel schwächen Feld, als wenn sie alleine sind. Dh auch hier kompensieren sich die beiden Felder.
Fazit: Ungleichnamige Pole ziehen sich nicht an. Sondern sie schaffen einen feldfreien (bzw. feldarmen) Raum. In diesen Raum werden die ungleichnamigen
Pole hin verdrängt. Es gibt ausschließlich abstoßende Kräfte zwischen Magneten.
Zusatz: Bei der Abstoßung zweier Magnete entsteht der feldfreier Rum übrigens innerhalb des Magnets. Da die Abstoßen zwischen den Magneten größer ist, als hinter einem der Magnete, entfernen sich die Magnete von einander.
Dies alles sind nur (begründete) Spekulationen meinerseits. Ich würde mich freuen, wenn jemand da einen kritischen Blick drüber wirft.
Vielen Dank
und frohe Weihnachten!
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 12:57 Do 26.12.2019 | | Autor: | leduart |
Hallo
ich war etwa entsetzt, dass deine SuS lernen, dass sich Feldlinien abstoßen. Das tun sie sicher nicht. Auch dass du sich kreuzende Feldlinien zeichnest geht nicht.
Die anziehende oder abstoßende Kraft von verschiedenen Polen, kann man mit den Feldlinien erklären, die die Richtung der Kraft auf einen Nordpol angeben. die Vorstellung der Feldlinien die sich wie elastisches Material verhalten, sollte man im 19ten Jahrhundert mit dem Äther, dessen elastische Eigenschaften sie damals symbolisierten lassen und mindestens im 20sten oder gar 21.sten Jahrhundert leben.
Wenn du deine 2 antiparallelen Magnete zeichnest gehen die Feldlinien wie du sie in einem Hufeisenmagneten zeichnen würdest, in der Mitte praktisch feldfrei, zwischen den entgegengesetzten Polen fast gerade von einem zum anderen, die Kraft aufeinander anzeigend.
soweit erstmal, denn Weihnachten muss ich auch noch feiern-
Schönes Fest!
leduart
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Vielen Dank an leduart für die rasche Antwort. Natürlich habe ich jetzt an den Weihnachtstagen noch gar nicht mit einer Antwort gerechnet.
Mach Dir bitte nicht zu viel Sorgen um meinen Unterricht leduart, ich überlege mir meistens, was sinnvoll ist und was nicht. Manchmal falle ich mit selbstüberlegten Erklärungen auf die Nase, lerne aber meist draus. ZB indem ich dieses Forum benutze.
Menschen, die die Lorentzkraft nicht erklären, machen sicherlich nix falsch. Und deswegen steht in den Lehrwerken auch nix dazu (etwa DornBader12/13). Bei dieser Art des Unterrichts endet die Schülerleistung bei "lern es auswendig und frag nicht warum". Das ist mir zu wenig und wird der naturwissenschaftlichen Denkweise nicht gerecht.
Dass Feldlinien sich nicht abstoßen können, weil sie keine materiellen Körper sind, das ist mir klar und auch im Text biete ich alternative Formulierungen mit an. Was Du mit sich kreuzenden Feldlinien meinst, sind die übereinander gezeichneten Felder der einzelnen Magnete. Die vektorielle Addition ist in den Bilder noch nicht erfolgt. Entschuldige bitte, ich dachte, das wäre klar, weil ich im sechsten Bild vorweg ein Einzelfeld gezeichnet habe und ich es ja erst einmal zur Debatte stellen möchte, wie Felder miteinander wechselwirken. Aber ich sehe ein, dass der Raum zwischen den antiparallelen Magneten desto weniger feldfrei wird, je weiter man von der Mitte aus nach oben oder nach unten geht. Das passt also nicht zu meinen Überlegung. Danke für diesen Hinweis!
Für mich wäre jetzt noch interessant, ob tatsächlich die Überlagerung gleichgerichteter Feldlinien innerhalb jedes Magnets den Löwenanteil für die die Magnete zusammenschiebende Kraft erklärt.
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| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 09:04 Fr 27.12.2019 | | Autor: | Infinit |
Hallo Riesenradfahrrad,
mal unabhängig von der Modellbildung, die Du beschrieben hast, kann man auf jeden Fall sagen, dass die Energiedichte im Magneten auf jeden Fall um Größenordnungen höher ist als im "freien Raum".
Viele Grüße,
Infinit
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| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 20:43 Fr 27.12.2019 | | Autor: | leduart |
Hallo
1. nur eine Nebenbemerkung :Deinen SuS tust du mit der linken Handregel, die sich auf die Bewegung von Elektronen bezieht keinen guten Dienst. In Physik und vor allem Ingenieurwesen der Hochschulen ist die positive Stromrichtung immer von + nach - dann gilt für das Magnetfeld und die Kraftwirkung die rechte Handregel, die linke Hand nur für Bewegung von Elektronen .
2. Felder wechselwirken nicht, es sei denn in dem Sinne dass elektrische Wechselfelder Magnetfelder erzeugen und umgekehrt, Aber dass elektrische Felder, ausser sich vektoriell zu addieren "Wechselwirken" sehe ich nicht. Lorentzkraft ist die Kraft die im Magnetfeld auf bewegte Ladungen wirkt. sie kann man schon an einzelnen e sehen, wie willst du deren Magnetfeld zeichnen? diese Kraftwirkung bemerkt man, wenn ein stromdurchfl. Leiter in einem Magnetfeld ist. Sie mit Abstoßung von Feldlinien zu erklären, erklärt nicht mehr sondern führt nur etwas neues, nicht erklärtes ein. Warum denkst du, dass damit die Lorentzkraft besser erklärt ist. 2 Fragen stehen bei dir nebeneinander: warum wirkt eine Kraft auf bewegte Ladungen? Eine Erklärung: Das kann man experimentell feststellen. 2. Erklärung man zeichnet Feldlinien und sagt je dichter sie sind umso mehr versuchen sie sich zu verdrängen und dadurch stoßen sich dann beteiligte Körper ab.Aber warum ist das eine Erklärung? warum stoßen sich denn die gedachten Linien ab? (wie ist das mit den Feldern der EM Wellen? wen stoßen die ab?) die Feldlinien als solche existieren nicht, sie geben nur zeichnerisch die Kraftwirkung auf Magnetpole im Fall des magn. Feldes an. dadurch allein lässt sich die Kraft auf einen benachbarten Magneten erklären. Dass man die Dichte, mit der man Magnetlinnien zeichnet mit der Stärke des Feldes vergleicht ist Vereinbarung.
die Dichte von Magnetlinien innerhalb eines Stück Eisens, bewirkt die Felder an den Enden (Polen) feststellen lässt sich das Feld nur, wenn man den Magneten an einer Stelle teilt.
auf keinen Fall haben die Linien innerhalb, ausser beim austritt an den Polen eine Wirkung nach aussen.
also überlege wirklich, ob sich abstoßende Linien mehr Erklärung sind als Kraft auf bewegte Ladung. mit [mm] F_L=q [/mm] *v times B lässt sich alles erklären.
Auch schon, die sich abstoßenden Feldlinien im Kondensator finde ich falsch, das Aussenfeld ist einfach schwächer, weil der Abstand zu den geladenen Platten größer ist.
(nebenbei: wird ein zweiter Plattenkondensator, den du parallel aufstellst von dem ersten angezogen oder abgestoßen (mit deinem Feldlinnienbild muss er wohl abgestoßen werden?)
Gruß leduart
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> die Vorstellung der Feldlinien die sich wie elastisches
> Material verhalten, sollte man im 19ten Jahrhundert mit dem
> Äther, dessen elastische Eigenschaften sie damals
> symbolisierten lassen und mindestens im 20sten oder gar
> 21.sten Jahrhundert leben.
Ironische Bemerkungen hierzu:
Man sollte auch nicht mehr sagen: "Die Sonne geht auf", sondern "die Erde dreht sich, und die Sonne wird sichtbar", denn spätestens seit Kopernikus wissen wir ja Bescheid. Und es gibt auch keinen Halbmond oder zunehmenden Mond, der ist immer voll da.
Genau so wenig, wie Feldlinien nicht weiter helfen, hilft auch der Spruch "Zähler mal Zähler und Nenner mal Nenner" nicht wirklich weiter beim Bruchrechnen, denn man weiß ja gar nicht, was man damit anfangen soll. Richtig heißt es natürlich: "Das Produkt zweier Brüche ist ein Bruch, dessen Zähler das Produkt der Zähler der Faktoren und dessen Nenner das Produkt der Nenner der Faktoren ist", wie jeder Sechstklässler gern auswendig lernt und sofort versteht.
Will sagen: Feldlinien existieren genau so viel oder wenig wie Atome oder Photonen. Sie sind Hilfsmittel unserer Modellbildung zum Verständnis der Welt und haben nur einen beschränkten Gültigkeitsbereich. Mir hat z.B. noch nie jemand erklären können, wieso Licht durch Glas langsamer als durchs Vakuum geht, wenn es sich um Photonen handelt, die immer mit Lichtgeschwindigkeit fliegen und zwischen den Glasmolekül-Bestandteilen praktisch keine bremsende Materie vorhanden ist.
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Zunächst zu den Einwänden von Leduard:
Feldlinien sind ein Hilfsmittel mit dem wir i.A. Kraftverläufe darstellen können. Die Personifizierung (s.u.) dient dabei der Vereinfachung der Verständnisbildung im Sinne von Eselsbrücken und ist didaktisch geradezu geboten, genau so, wie man bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht-relativistisch rechnet. Welchen Sinn sollte es geben, ein einfaches Wassermolekül als Lösungserscheinung der Schrödinger-Gleichung darzustellen, wenn es mir nur um das Atomgewicht geht?
Du kannst die folgenden Eigenschaften gewissenlos in deinen Unterricht integrieren, ohne dass in den Köpfen der Schüler Schaden entsteht:
Magnetische Feldlinien treten aus dem Nordpol eines Magneten aus und "in gleicher Anzahl" wieder in den Südpol ein. (Wenn der Südpol breiter als der Nordpol ist, ist dort die Feldliniendichte geringer. Wenn sie vom Nordpol aus - ggf teilweise - in einen fremden Südpol führen, kommen sie aus dessen Nordpol wieder heraus und ggf. auf weiteren Umwegen wieder zum Ausgangssüdpol.)
Feldlinien aus mehreren Magneten überlagern und kreuzen sich "mathematisch"; ein resultierendes Gesamtfeld ist aber kreuzungsfrei! Es zeigt nämlich die Richtung einer (gedachten) Kompaßnadel an, und diese stellt sich entweder beliebig ein (= feldfrei) oder in eine bestimmte Richtung.
Die Feldlinien "wollen" sich verkürzen und ziehen deshalb an den Polen. Sie "wollen" ihre Nachbarn abstoßen und drücken ggf. die Pole weg.
1. Fall: 2 lange Stabmagnete liegen in Längsrichtung so hintereinander [N S]===[N S]. Dann gehen zwischen ihnen Feldlinien von rechts nach links und außen herum welche von links nach rechts. Wenn nun die Stabmagnete näher zusammenrücken, verkürzen sich sowohl die erstgenannten inneren als auch die äußeren Feldlinien. Also rücken die Magneten zusammen. Die tiefere Begründung wurde dir schon von Infinit genannt: Der energiegefüllte Raum nimmt ab, das System kann so die Energie minimieren.
2. Fall: 2 lange Stabmagnete liegen in Längsrichtung so hintereinander [S N] [N S]. Dann behält jeder Stabmagnet sein Magnetfeld für sich, aber im Zwischenraum stoßen die Feldlinien aufeinander, können sich nicht verbinden, weichen nach oben und unten aus, sind dann parallel zu einander und stoßen einander ab und damit auch ihre N-Pole. Hier vergrößert sich sogar der Raum mit den Feldlinien, aber diese verlieren dadurch ihre Dichte, und da die Energiedichte proportional zum Quadrat der Feldliniendichte ist, tritt auch hier ein Energieverlust ein.
3. Fall: 2 Stabmagnete liegen parallel so nebeneinander:
[N S]
[S N].
Dann gehen zwischen ihnen links Feldlinien von oben nach unten und rechts welche von unten nach oben. Wenn nun die Stabmagnete näher zusammenrücken, verkürzen sich sowohl die linken als auch die rechten Feldlinien. Also rücken die Magneten zusammen.
4. Fall: 2 Stabmagnete liegen parallel so nebeneinander:
[N S]
[N S].
Dann behält jeder Stabmagnet sein Magnetfeld für sich, aber im Zwischenraum stoßen die Feldlinien aufeinander, können sich nicht verbinden, sind dann parallel zu einander und stoßen einander ab und damit auch ihre N- und S-Pole.
Zur Lorentzkraft:
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Beim Strich auf der Achse befindet sich ein unendlich dünner stromdurchflossener Leiter, der von einem konzentrischen, nach außen aber (und das hast du wohl in deiner Überlegung nicht bedacht:)schwächer werdenden Magnetfeld umgeben ist. Der Strom fließt in Blickrichtung in das Bild hinein. Rechts geht dieses Feld nach unten, links nach oben. Gleichzeitig kommt aus dem unteren Rand ein homogenes Feld von unten nach oben. Das Bild zeigt das resultierende Gesamtfeld. Bei x auf der Achse sind beide Felder gleich stark, dort herrscht feldfreiheit. Die Feldlinien rechts vom x gehen alle von unten nach oben, die links vom x bis zum Leiter gehen im Uhrzeigersinn, weil dort das Leiterfeld stärker als das homogene ist, die linken nicht-umlaufenden wieder von unten nach oben.
Da nun die linken Feldlinien dichter liegen, stoßen sie sich stärker voneinander ab als die rechten, und so drücken sie den Leiter nach rechts. Die dabei hervorgerufene kin. Energie kommst aus der el. Energie des Stromes im Leiter.
Dateianhänge:
Anhang Nr. 1 (Typ: JPG) [nicht öffentlich]
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Vielen Dank an leduart, Infinit für die Antworten und besonders HJKweseleit auch für den Feldplot. Ich sehe es auch so, dass man den Schülerinnen und Schülern (SuS) etwas Anschauliches bieten MUSS. Physikunterricht soll meiner Meinung nach nicht nur Mathematik sein, deswegen will ich den Unterricht nicht allein auf Formeln stützen. Ich bitte leduart zu bedenken, dass das menschliche Gehirn nun einmal Bilder braucht, um Dinge zu verstehen. Diese ersatzlos zu streichen, vergrault wahrscheinlich noch mehr Menschen, sich mit Physik auseinander zu setzen. Natürlich hat leduart Recht, man kann nach der Gabe der Feldlinien auch wieder weiter fragen, warum sich diese verdrängen "wollen". Und auch danach kann man wieder weiter fragen.
Aber zumindest lernen die SuS im DornBader zuerst, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld aufbaut. Und sie können die Lorentzkraft nun auf diese felderzeugende Wirkung zurückführen und das ist schon mal eine Erklärungsebende tiefer als nur die Linke-Hand-Regel auswendig zu lernen.
Dass mit der Energiedichte des Feldes war mir neu, auch dafür danke!
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