Einführung in Felder

Warum sollten Felder Sie interessieren?

Die Jedis bei Star Wars können mit der MACHT zwei Effekte hervorrufen: Sie können Dinge bewegen und sie können über weite Strecken kommunizieren bzw. fühlen. Sie bewegen sich selbst, andere Lebewesen oder Dinge durch die Luft, ohne dass sie die Objekte dafür berühren müssen. Sie spüren über weite Entfernungen Gefühle oder lesen Gedanken anderer Menschen, ohne dass sie dafür den „Gesprächspartner“ berühren. Beide Effekte sind – mit Abstrichen an die Intensität und die Ursache der Effekte – technisch realisierbar. In diesem Kurs lernen Sie wie.

Kraft und Bewegung

Beginnen wir bei der Bewegung. Eine Bewegung wird von einer Kraft hervorgerufen. Die Kraft F bewirkt über F = m ∙ a eine Beschleunigung a. Das Integral der Beschleunigung a über der Zeit t ergibt die Geschwindigkeit v der Bewegung. Die Kraft F führt zu einer Bewegung mit der Geschwindigkeit v:

Bewegung wird durch Kräfte ausgelöst. Wenn etwas bewegt werden soll, ohne dass wir es berühren, brauchen wir eine berührungslose Kraft dafür.

Wir sind umgeben von Effekten, die berührungslos Kräfte auf Körper ausüben. Betrachten wir z. B. die Gravitation. Wenn Sie einen Gegenstand loslassen, fällt dieser zu Boden, ohne dass der Boden dafür den Gegenstand berührt. Die Ursache dafür beschreibt die Physik damit, dass Massen andere Massen anziehen. Die Anziehungskraft hängt von der Größe der Massen und vom Abstand ab. Die gewaltige Masse der Erde zieht den Gegenstand an, ohne dass sie ihn berührt. Es gilt für die Gravitationskraft der Erde auf der Erdoberfläche:

Die Gravitationskraft hängt also von der Masse des Gegenstands ab, der angezogen wird. Sie sinkt mit dem Abstand zur Erde. Das ist in dieser Formel nicht berücksichtigt, denn sie gilt nur auf der Erdoberfläche. Die Gravitationskonstante g hängt von der Masse der Erde ab.

Der Mond hat eine größere Masse als Ihr Gegenstand, deshalb wirkt eine größere Gravitationskraft auf den Mond. Der Abstand ist größer als der zu ihrem Gegenstand, dadurch sinkt die Gravitationskraft. Wenn Sie den Gegenstand auf einem leichten Planeten wie z. B. dem Mond fallen lassen, dann ist die Gravitationskraft kleiner, denn dann ist g kleiner.

Es ist total abgefahren, dass die Gravitationskraft berührungslos wirkt. Sie wirkt selbst im Weltraum, im absoluten Nichts, wo es keine Materie gibt. Es gibt keine stoffliche Verbindung zwischen Kraftursache (Erde) und Kraftziel (der angezogene Körper). Das kommt Star Wars erstaunlich nah. Nur dass die Gravitationskraft konstant ist. Die Richtung weist immer zur Kraftursache hin. Die Masse lässt sich in der notwendigen Größenordnung technisch schlecht variieren, um unterschiedlich starke Kräfte zu erreichen. Die Kraft kann auch schlecht aus- und eingeschaltet werden. Es ist nicht möglich, etwas gegen die Gravitation abzuschirmen.

Wir suchen weiter nach Effekten, die berührungslose Kräfte ausüben. Der nächste betrachtete Effekt ist das Erdmagnetfeld. Die Erde erzeugt über ihre Rotation ein gerichtetes Magnetfeld, das dafür sorgt, dass Kompassnadeln nach Norden zeigen. Das Magnetfeld wirkt nur auf magnetisierbare Materialien, die selbst zu Magneten werden könnten. Wie bei den Massen sind die Kraftursache und das Objekt, auf das die Kraft wirkt, also von gleichem Typ (Magneten). Mit einem anderen Magneten können Sie selbst eine Kraft auf die Kompassnadel bewirken, mit der Sie die Nadel in eine andere Richtung bewegen können. Hier erkennen Sie bereits, dass wir berührungslos wirkende Kräfte technisch beeinflussen können.

Auch die Magnetkraft ist abhängig vom Abstand. Je näher Sie zwei Magneten zusammenbringen, desto stärker ist die Kraft. Wir können unterschiedlich starke Magneten fertigen. Damit ändern wir die Intensität der Magnetkraft unabhängig vom Abstand. Dann können wir die Magneten in die Nähe von (magnetischen) Objekten bewegen, so dass die Magnetkraft auf das Objekt wirkt oder eben nicht. Ein An- und Ausschalten ist schon eher möglich als bei der Gravitation.

Mit dem Elektromagnetismus haben wir die Möglichkeit, aus Strom künstlich Magnetfelder zu erzeugen, die genau wie ein Magnetstab wirken. Die Intensität und die Richtung können wir über den Strom in weiten Grenzen einstellen. Wir können am „Sender“ oder an der Quelle der Kraft Intensität und Richtung variieren. Die Kraft wirkt auch auf Empfänger, die auf die gleiche Weise mit Strom ein Magnetfeld aufbauen. Wir sind also nicht daran gebunden, dass der Empfänger (zumindest teilweise) aus Magnetmaterial besteht. Es ist sogar möglich, Körper gegen Magnetismus abzuschirmen.

Für Gravitation brauchen Sie gewaltige Massen im Format von Planeten. Ähnlich starke Magnet-Kräfte können Sie mit Elektromotoren erreichen, die ein Volumen von wenigen Kubikdezimetern aufweisen. Die Erzeugung der Kraft gelingt deutlich kompakter. Mit dem Elektromagnetismus kommen wir Star Wars erstaunlich nah.

– Gesteuerte Kraftwirkung über Entfernung

– Berührungslose Wirkung

– Einstellbare Intensität und Richtung

– Ein- und Ausschaltbar

Kommunikation

Kommen wir zur Kommunikation: Mit einem EEG können Gehirnströme gemessen werden, ohne dass dazu das Messgerät die Nerven im Gehirn berührt. In den Nerven fließt vereinfacht gesagt elektrischer Strom. Der Strom bewirkt eine Kraft auf einen Strom im EEG, so dass dieser verändert wird. Wieder sind Kraftursache und das Objekt, auf das die Kraft wirkt, von gleichem Typ (Strom). Mit einem EEG können Gefühle und einfache Gedanken eines Menschen ausgelesen werden, wenn der Strom des EEGs richtig interpretiert wird. Erneut sind wir Star Wars recht nah gekommen, nur dass die Reichweite der Kraft dieser biologischen elektrischen Ströme extrem gering ist. Wird diese Information über Gedanken und Gefühle verstärkt und über Funk gesendet, ist eine Wahrnehmung über große Entfernungen keine Fiktion mehr.

Dazu brauchen wir Funk, der ebenfalls berührungslose Kräfte nutzt. Nehmen wir als Beispiel eine BlueTooth-Kommunikation zwischen zwei Smartphones. Eines der Geräte sendet über eine Änderung von Spannung und Strom an einer Antenne ein Signal aus, dass das andere Gerät an seiner Antenne wieder als Änderung von Spannung und Strom empfängt und interpretiert. Eine Kraft wird durch Elektronenbewegung (Wechselstrom) erzeugt, die auf Elektronen am Empfänger wirkt und diese bewegt. Die Geräte berühren sich nicht, und das funktioniert auch durch den Weltraum hindurch ohne Materie dazwischen. Es ist ziemlich abgefahren, wenn man darüber nachdenkt was uns täglich umgibt.

Chemie

Ein positiv geladenes Wasserstoff-Atom und ein negativ geladenes Sauerstoff-Atom ziehen sich gegenseitig an, ohne sich zu berühren. Bei der Berührung entsteht durch die chemische Reaktion H2O, also Wasser. Wasser ist elektrisch neutral, es zieht nicht noch weitere geladene Atome an. Elektrisch geladene Körper bewirken also eine Kraft auf andere elektrisch geladene Körper. Der Effekt wird in seiner Intensität durch die Anzahl der Ionen bestimmt, die einander anziehen. Er ist reversibel. Die Kraft ist extrem groß, wenn man die geringe Größe der Ionen betrachtet. Allerdings ist die Reichweite, die mit dieser Kraft erreicht werden kann, auch extrem gering. Für den makroskopischen technischen Einsatz für Bewegungen oder Kommunikation über Entfernung ist dieser Effekt ungeeignet.

Vorteile berührungsloser Kraftwirkung

In technischen Systemen wollen wir Kräfte so wirken lassen, dass möglichst wenig der eingesetzten Energie ungewollt in Wärme umgewandelt wird. Anders herum soll möglichst viel Energie in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad soll möglichst hoch sein. Effekte, die Energie in Wärme umwandeln, sind z. B. Reibung, Strom durch Ohm´sche Widerstände oder exotherme chemische Reaktionen. Bei einer Getriebestufe mit zwei Zahnrädern geht z. B. etwa 1% der eingebrachten Energie als Reibung verloren. Die berührungslose Kraftübertragung hat den Vorteil, dass weniger Reibung entsteht, denn Reibung entsteht an gegeneinander bewegten Flächen, die sich berühren.

Weitere Vorteile sind ein geringerer Verschleiß. Der USB-Ladestecker des Smartphones übersteht mehrere hundert Steckzyklen. Irgendwann ist kein elektrischer Kontakt mehr vorhanden und der Stecker ist defekt. Beim induktiven Laden tritt dieses Problem nicht auf, denn es erfolgt berührungslos. Der Strom in der Ladestation induziert einen Strom im Smartphone, mit dem der Akku aufgeladen wird.

Feld ohne Objekt

In der Physik werden Kräfte, die berührungslos wirken, als Felder bezeichnet. Felder wirken im Raum. Sie weisen immer eine Intensität und eine Richtung auf. Alle weiter oben beschriebenen Effekte werden durch Felder hervorgerufen.

Felder wirken unabhängig davon, ob sie eine Bewegung hervorrufen. Die Erde zieht also immer Massen an, unabhängig davon, ob ein Mond da ist oder nicht. Erst wenn ein Mond in seiner Nähe ist, bewirkt die Kraft eine Bewegung. Felder bewirken immer erst dann eine Bewegung, wenn ein Objekt im Wirkungsbereich liegt, das von gleichem Typ wie die Feldquelle ist. Die Bewegung wird erst dann bemerkt, wenn am Ort des Objekts die Kraft durch das Feld hinreichend stark bezogen auf seine Masse ist.

Technische Nutzung von Feldern

Die Kraftübertragung mit Feldern ist berührungslos und damit vorteilhaft. Sie ist aber nicht ideal, und in manchen Anwendungen einer Übertragung durch Berührung unterlegen. Das hängt davon ab, wie viel Energie beim Erzeugen des Felds in Wärme umgewandelt wird und damit verloren ist. Für eine effiziente Kraftübertragung muss ein möglichst großer Teil des Felds beim Empfänger ankommen. Die Erde ist beim Anziehen des Monds ineffizient, denn der größte Teil seines Gravitationsfelds geht am Mond vorbei. Das können wir technisch besser. Diese Bedingung führt oft zur Forderung, dass sich Sender und Empfänger räumlich nah beieinander befinden sollten. Das Feld soll sich nicht frei im Raum entfalten, sondern zum Empfänger hin gebündelt werden.

Ungewollte Feldwirkung

Technisch erzeugte Felder wirken auch außerhalb des Bereichs, in dem sie wirken sollen. Sie wirken auch auf Objekte, auf die sie nicht wirken sollen. Wenn Sie z. B. mit einem kabelgebundenen Kopfhörer über Ihr Smartphone Musik hören und dabei eine SMS empfangen, dann hören Sie dies als Knacken im Audiosignal. Sie hören damit das Feld ihres Smartphones, das den erfolgreichen Empfang der SMS an die Basisstation sendet. Dafür ändern sich Spannung und Strom an der Smartphone-Antenne. Damit die Nachricht die nächste Basisstation überhaupt mit hinreichender Feldintensität erreicht, muss das Smartphone kurzzeitig zu einem sehr starken Sender werden. Das Feld im Raum um Sie herum wird dadurch kurzzeitig stark verändert. Da das Audiosignal als Strom durch das Kabel zum Kopfhörer gesendet wird, wirkt das Feld der Stromänderung in der Antenne ungewollt auf den Strom im Kopfhörerkabel, und das können Sie als Geräusch hören. Die ungewollte Wirkung von Feldern müssen Sie immer beachten, wenn Sie Felder technisch erzeugen. Dazu gibt es auch gesetzliche Vorschriften.

Allgemeine Feldeigenschaften

Allen Feldern sind folgende Eigenschaften gemein:

– Ursache der Kraft und das Objekt, auf das sie wirkt, sind vom gleichen Typ.

– Die Kraft sinkt mit dem Abstand zwischen Ursache und Objekt.

– Felder haben eine Intensität und eine Richtung.

In diesem Kurs lernen Sie die Grundlagen elektrischer und magnetischer Felder, sie lernen diese zu erzeugen und damit berührungslos Kräfte in elektrischen Maschinen wirken zu lassen.

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