Frage von Usedefault, 72

Stärke von Kräften?

Hallo!

Es heißt ja, die elektrische Kraft ist um so und so viel stärker als die gravitative.

Wie ist dieser Vergleich aufgebaut?

Bedeutet das, dass eine Ladung einer bestimmten Masse bei der Wechselwirkung mit derselben Menge entspricht?

Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 21

Die Frage könnte glatt von mir stammen. Eigentlich lassen sich Wechselwirkungen, die an ganz unterschiedliche Arten von Ladungen koppeln, an sich erst einmal nicht wirklich miteinander vergleichen.

Natürlich sind die Zahlenwerte der Kopplungskonstanten (ohne Maßeinheit) sehr unterschiedlich, aber Zahlenwerte hängen vom verwendeten Maßsystem ab.

Was natürlich möglich ist, ist der Vergleich zweier Wechselwirkungen verschiedener Teilchen, die von Natur aus beide Arten von Ladung besitzen. Im Falle der beiden langreichweitigen Wechselwirkungen sind das Masse und Ladung.

Hier taucht aber schon ein Problem auf:

Nimmt man Elektronen als Beispiel, oder lieber Protonen? Letztere sind über 1800 mal massereicher als Elektronen, tragen aber betragsmäßig dieselbe Ladung. Beim Vergleich zwischen der Gravitation und der elektrischen Wechselwirkung wird man also bei Elektronen auf ein um einen Faktor über 1800²=3240000 krasseres Verhältnis kommen als bei Protonen.

Kommentar von Usedefault ,

Wenn ich sage 2 Ladungen stoßen sich momentan mit n*N ab, dann ergibt es ja Sinn, weil ja die Kraft absolut ist. Aber die Entwicklung des Integrals variiert, weil sich leichte Körper ja schneller distanzieren.

Und welche Masse entspricht einer Ladung?

Kommentar von SlowPhil ,

Und welche Masse entspricht einer Ladung?

Genau das ist das Problem: Eine solche Entsprechung gibt es nicht. Zwar gibt es - natürlich - keine elektrisch geladenen Teilchen ohne Masse, aber es gibt elektrisch geladene Teilchen sehr unterschiedlicher Masse und massive Teilchen ohne elektrische Ladung.

Kommentar von Usedefault ,

Wie kann das Photon durch die Luft hindurchschwingen, obwohl diese auch aus Protonen und Elektronen besteht?

Kommentar von SlowPhil ,

Die sind allerdings aneinander gebunden und nicht frei beweglich. Somit polarisiert das elektromagnetische Feld die Moleküle - die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts - und wird dadurch geringfügig aufgehalten, aber absorbiert werden sie nicht, und es reicht auch nicht, das Licht wegzustreuen.

Kommentar von Usedefault ,

Wenn ein Photon eine bestimmte Energiemenge besitzt, die nur als ganzes übertragen werden kann, wie kann dann ein Photon eine räumliche Ausdehnung haben?

Was bedeutet, die Moleküle sind kleiner, als die Wellenlänge des Lichts?

Kommentar von SlowPhil ,

Wenn ein Photon eine bestimmte Energiemenge besitzt, die nur als ganzes übertragen werden kann, wie kann dann ein Photon eine räumliche Ausdehnung haben?

Gerade deshalb. Genauer gesagt ist ein Photon nicht lokalisierbar, nicht nur unscharf, sondern gar nicht. 

Eine bestimmte Energiemenge ϵ bedeutet eine bestimmte Frequenz f=ϵ/h und damit eine bestimmte Wellenlänge λ = c/f = c·h/ϵ. Es ist also nicht als Wellenpaket, sondern nur als unbegrenzter Wellenzug beschreibbar.

Hier geht es jeodch um etwas anderes, nämlich die Wellenlänge λ selbst. Die liegt bei sichtbarem Licht zwischen 380 und 780 Nanometern, während Atome und Moleküle eine Ausdehnung von wenigen Zehntel Nanometern haben, was die Frage

Was bedeutet, die Moleküle sind kleiner, als die Wellenlänge des Lichts?

beantworten sollte.

Kommentar von Usedefault ,

Und was bedeutet die Wellenlänge ist 700nM? Ist die Welle so breit?

Kommentar von SlowPhil ,

Und was bedeutet die Wellenlänge ist 700nM?

Nicht nM, sondern nm. 

Ist die Welle so breit?

Nein, das ist der Abstand zwischen zwei Orten derselben Phase zu einem gegebenen Zeitpunkt t. Bei einer kohärenen, ebenen monochromatischen Welle, die sich in x-Richtung ausbreitet, bedeutet das, dass für die elektrische Feldstärke |E›

|E›(x₀, t) = |E›(x₀ + k·λ, t), k ∈ ℕ

gilt.

Kommentar von Usedefault ,

Also breitet sich ein Photon aus wie ein Strahl? Ich dachte, wie eine Blase.

Kommentar von SlowPhil ,

Von der Ausbreitung

eines Photons

zu sprechen, ist problematisch. Ein Photon ist eine Energieportion, die sozusagen dem Photonenfeld hinzugefügt oder entnommen werden kann. Photonen sind keine Teilchen in dem Sinne, das weiß ich übrigens auch erst seit wenigen Jahren:

Jemand wollte sich von mir eine Art Schrödinger - Gleichung für das Photon aufstellen lassen, und da habe ich recherchiert. Dabei stieß ich auf das Buch von Kuhn und Strnad »Quantenfeldtheorie. Photonen und ihre Deutung«.

Kommentar von Usedefault ,

Wie viele Felder gibt es? Also wie das elektrische Feld?

Gibt es Vakuumfluktuationen bei jedem Feld? Und unterliegt das Auftreten einer Vakuumfluktuation einer Wahrscheinlichkeit? Und warum zieht sich der Raum nicht zusammen auf Grund dieser Energie?

Kommentar von SlowPhil ,

Wie viele Felder gibt es?

Ich bin mir nicht sicher, würde aber sagen: So viele wie es Teilchen gibt. Es gibt natürlich die vier Felder der Grundkräfte, und es gibt Materiefelder.

Vakuumfluktuationen sollte es in jedem Feld geben. Ihre Energie ist denkbar gering.

Kommentar von Usedefault ,

Das heißt, wo Materie ist, ist ein Materiefeld angeregt?

Und wo Kräfte wirken ist das jeweilige Kraftfeld angeregt?

Und wenn ein Planet existiert, dann regt die Anregung vom Materiefeld automatisch auch das Gravitationsfeld an?

Und wenn in der Elektrostatik ein Objekt negativ geladen ist, regt es das E-Feld an, wobei positive Ladungen diese Anregung aufheben können?

Kommentar von SlowPhil ,

Ziemlich genau so stelle ich mir das vor. Allerdings hebt positive Ladung die Anregung durch negative nicht einfach auf, sondern überlagert sie mit einem Feld entgegengesetzter Richtung, was grob betrachtet wie eine Aufhebung aussieht, bei genauerem Hinsehen aber bleibt ein elektrisches Di- Quadru- oder höheres Multipolfeld über (die werden immer schwächer), und man darf das magnetische Moment nicht vergessen. Das Neutron beispielsweise hat eines.

Kommentar von Usedefault ,

Kannst du mir das mit dem Photon und den Luftmolekülen noch einmal genauer erklären? Falls du die Zeit findest. Warum können Photonen da hindurch?

Kommentar von SlowPhil ,

Die Moleküle sind viel kleiner als Lichtwellen (sichtbaren Lichts) lang sind. Sie werden durch Lichtwellen ggf. polarisiert, was zu einer geringfügigen Verringerung der Phasengeschwindigkeit führt, aber nicht z.B. zur Reflexion. Absorbiert können sie nicht werden, denn die Energie muss ja irgendwo hin, und um die Moleküle anzuregen, reicht ihre Energie nicht aus. Es gibt aber die Rayleigh-Streuung, die vorzugsweise Licht mit kurzer Wellenlänge betrifft und für den blauen Himmel verantwortlich ist.

Kommentar von Usedefault ,

Also wird ein Teil schon reflektiert? Oder muss ein bestimmte Energie übertragen werden für einen Orbitalsprung? Und warum werden Photonen von einer Radioantenne absorbiert? Was bedeutet in diesem Kontext polarisiert?

Kommentar von SlowPhil ,

Licht besteht aus elektromagnetischen Wechselfeldern. Es gibt also ein elektrisches Feld, das in dem Moment eine positive Ladung in Richtung des Feldes und eine negative in Gegenrichtung zieht. Dies führt dazu, dass sich in einem Atom oder Molekül die Elektronenverteilung gegen Feldrichtung verschiebt.

Für einen Orbitalsprung muss in der Tat eine bestimmte Energie absorbiert werden, und Photonen, die nicht passen, werden dem Feld nicht entnommen.

Antwort
von TheHarshHeretic, 10

Also soweit ich weiß meinst du eig. die elektromagnetische Wechselwirkung, also das diese stärker ist, als die Gravitation. Das ist richtig und zwar 10^36 mal stärker. 
Die Gravitationskraft ist mit Abstand die schwächste der 4 Grundkräfte, auch wenn wir meinen, diese Kraft am stärksten zu spüren. Das liegt jedoch nur daran, dass die Erde eine relativ große Masse hat. Um zu zeigen, wie schwach die Gravitation wirklich ist, stelle man sich einen kleinen Elektromagneten vor. Bewegt man diesen in einem bestimmten Abstand über einen lose am Boden liegenden, magnetischen Gegenstand, wird dieser einen Satz nach oben machen und am Magneten haften bleiben. Diese kleine Menge an elektromagnetischer Wechselwirkung genügt also schon aus, um die Gravitationskraft der kompletten Erde zu überwinden.

Kommentar von Usedefault ,

Ja, aber vergleicht man hier 10 Ladungen mit 100g oder 1 Ladung mit 1g? Die elektrische Kraft ist für mich die elektromagnetische Kraft.

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