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Physik für Schülerinnen und Schüler Felder © H. Hübel Würzburg 2013 |
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Um 1800 führte der große englische Physiker Michael Faraday den Begriff des Magnetfelds ein. Das war ein Hilfsmittel um Kraftwirkungen über eine Entfernung hin zu erklären, die von Magneten ausgeht und auf andere Magnete oder Gegenstände aus Eisen wirkt.
Über das Magnetfeld und seine Wirkungen lernst du mehr in dem Kapitel Magnetische Felder.
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Ungefähr gleichzeitig entstand auch der Begriff des elektrischen Feldes, mit dem Kraftwirkungen zwischen geladenene Körpern über eine Entfernung hin erklärt werden konnten.
Elektrische Felder lernst du hier kennen.
In beiden Fällen wurde eine langreichweitige Wechselwirkung (Fernwirkung) zwischen zwei Magneten oder zwei elektrischen Ladungen ersetzt durch einen anderen Mechanismus: Ein Magnet oder eine Ladung erzeugt um sich herum im ganzen Raum ein Feld. Bringt man jetzt in dieses Feld einen zweiten geeigneten Gegenstand (Magnet bzw. Ladung), dann entsteht an dessen Ort eine Kraft zwischen ihm und dem Feld (Nahwirkung).
Aber manche Historiker sind der Meinung, dass der Grundstein zu allen Feldtheorien durch Otto von Guericke im 17. Jahrhundert gelegt wurde. Otto von Guericke ist heute vor allem durch seine Vakuumversuche bekannt, denke nur an die "Magdeburger Halbkugeln". Ihm ging es aber auch um die Klärung, wie unser Planetensystem aufgebaut ist und welche Kräfte in ihm wirken. Und da hatte er die Idee, dass zwischen den Himmelskörpern ein Vakuum herrscht, durch das aber Gravitationskräfte über große Entfernungen hin wirken können.
Er nahm an, dass die Erde auf den Mond über die Entfernung hin (und durch den leer vermuteten Raum hindurch) eine Anziehungskraft ausübt, genauso wie die Sonne auf die Planeten über Millionen von km hinweg eine Anziehungskraft ausübe. Dazu hatte er Modellversuche mit einer geriebenen Schwefelkugel durchgeführt, die dadurch elektrisch geladen wurde und Papierstückchen über eine Entfernung hin anzog. Dass er hier die Grundform eines Hochspannungsgenerators erfunden hatte, war ihm wohl nicht bewusst. Boyle in England nahm diese Idee aber auf und entwickelte die erste Elektrisiermaschine. Auch die Ideen von Kräften, die über große Entfernungen hin wirken, fiel in England auf fruchtbaren Boden. Nachdem Newton das richtige Abstandsgesetz für die Gravitationskräfte gefunden hatte und es durch die Berechnung der Planetenbahnen bestätigt hatte, war es naheliegend, diese Fernwirkung mittels des Gravitationsfelds durch eine Nahwirkung zu ersetzen. Man ging genauso vor wie beim elektrischen Feld.
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Es gibt allerdings nur eine Art von "Gravitationsladung", die
Masse. Bringt man in die Nähe einer Masse M, z.B. eines
Himmelskörpers, eine zweite Masse m, z.B. die eines Steins, so
erfährt der Stein eine Anziehungskraft. Alle Massen ziehen sich
gegenseitig an. Wegen seiner Masse ist jeder Körper, also auch ein
Himmelskörper, von einem Gravitationsfeld umgeben. Im Fall eines
isolierten Himmelskörpers ist dieses Feld wie das elektrische Feld
einer isolierten Ladung radial gerichtet. Auf einen Stein wirkt
das Gravitationsfeld mit einer Anziehungskraft F ein, der
Gravitationskraft.
Betrag und Richtung des Gravitationsfeldes g sind dann durch
festgelegt. Alle Feldlinien laufen dann radial auf die "felderzeugende Masse" M zu. (Für die Gravitationsfeldstärke wird hier g gewählt, m ist sozusagen die "Gravitationsladung" des Probekörpers mit der Masse m. In der Zeichnung ist auch die Reaktionskraft -F eingetragen, mit der die Masse m die Masse M anzieht. Sie spielt für die Überlegungen hier keine Rolle.) |
Eine Masse M allein erzeugt schon ein Gravitationsfeld. Bringt man in dieses Feld eine zweite Masse m, die Probemasse, dann wirkt das Gravitationsfeld am Ort der Probemasse mit einer Kraft F auf sie. Die Fernwirkung ist durch eine Nahwirkung zwischen Feld und Probemasse m ersetzt.
Das Gravitationsfeld zweier Massen, z.B. eines Doppelsternsystems, lässt sich ebenfalls mit dem Programm PTLADUNG.exe konstruieren. Anstelle der beiden Massen sind dann zwei negative Ladungen zu wählen. Solche Ladungen würden sich aber abstoßen, während sich zwei Massen immer anziehen. Für die Konstruktion des Feldlinienbilds bei festgehaltenen felderzeugenden Massen ist das belanglos.
Felder stellen physikalische Gegenstände dar, die den Raum erfüllen und Kraftwirkungen vermitteln, Kraftwirkungen zwischen felderzeugenden Körpern und Probekörpern, aber auch zwischen den felderzeugenden Körpern selbst. Sie wurden eingeführt um die Fernwirkung zwischen Körpern durch eine Nahwirkung zwischen dem Feld und einem weiteren, ins Feld gebrachten Körper zu erklären, der häufig Probekörper genannt wird. Felder haben eine bestimmte Struktur, können aber auch andere Eigenschaften wie Energie, Impuls oder Drehimpuls haben. Änderungen der Felder breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit im Raum aus. Wechselwirkungen elektrisch geladener Körper über elektromagnetische Felder hängen zusammen mit dem Austausch von Photonen. Wichtige Felder sind elektrische, magnetische (beide zusammengefasst als elektromagnetische) und Gravitationsfelder. Obwohl im Bereich der Gravitation noch sehr viel zu klären ist, gehen Physiker doch davon aus, dass auch die Gravitationsanziehung zweier Massen durch den Austausch von Gravitonen vermittelt wird.