Felder

Kraft und Bewegung

Bewegung wird durch Kräfte ausgelöst. Felder beschreiben Kräfte, die ohne Berührung zwischen 2 Körpern wirken.

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 alles auf ihrer Oberfläche an, ohne dass sie etwas davon berühren muss.

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). Für technische Anwendungen ist es nicht optimal, dass die Gravitationskraft konstant ist. Die Richtung weist immer zur Kraftursache (Erde) hin. Die Masse lässt sich in der notwendigen Größenordnung technisch nicht variieren, um unterschiedlich starke Kräfte zu erreichen. Die Kraft kann auch nicht 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 diese berührungslos wirkende Kraft 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. Wir erreichen folgendes:

– Gesteuerte Kraftwirkung über Entfernung

– Berührungslose Wirkung

– Einstellbare Intensität und Richtung

– Ein- und Ausschaltbar

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.

Es gibt elektrische Felder und magnetische Felder. Elektrischer Felder sind einfacher vorstellbar und damit anschaulicher. Obwohl wir bei Spulen nur Magnetfelder benötigen, erkläre ich einige Grundlagen an elektrischen Feldern.

Die Berechnung zeitlich unveränderter statischer Felder ist viel einfacher als die zeitlich veränderlicher dynamischer Felder. Deshalb starten wir mit den statischen Feldern.

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