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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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 _joe_ Verfasst am: 28. Sep 2023 21:34 Titel: Wie ließe sich ein elektrisches Wirbelfeld mechanisch messen |
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Meine Frage:
Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
Ein elektrisches Feld hat eine Kraftwirkung auf Ladungen - so ist es definiert.
Mit welchem, moeglichst einfachen Versuchsaufbau, laesst sich das mechanisch ueber
ein Drehmoment/Drehimpuls messen?
Meine Ideen:
Ich hab mal drei Styroporkuegelchen an Nylonfaeden uber einen Elektromagneten
gehaengt, diese Kuegelchen dann elektrostatisch aufgeladen so dass sie sich gegenseitig abstossen, und versucht eine Reaktion beim ein- bzw. ausschalten des Elektromagneten zu beobachten. Nichts bemerkbar. Als naechstes versuche ich einen Ring aus PVC Schlauch an Nylonfaden zu verwenden, PVC laesst sich ja relativ stark elektrisch negativ aufladen. Also drei Aufhaengungen mit Nylonfaeden am Ring die dann zu einem Faden zusammengefuehrt werden der dann sozusagen der Torsionsfaden ist. Nun gut, alle Stoffe sind zumindest diamagnetisch, wie da welche Effekte beim aus/einschalten ueberwiegen oder stoeren wuerden hab ich nicht abgeschaetzt...bei exakter geometrischer Symmetrie: stoeren sie da - oder nicht?
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
Wohnort: München
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| isi1 Verfasst am: 06. Okt 2023 20:16 Titel: Re: Wie ließe sich ein elektrisches Wirbelfeld mechanisch me |
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| _joe_ hat Folgendes geschrieben: | Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
Ein elektrisches Feld hat eine Kraftwirkung auf Ladungen - so ist es definiert.
Mit welchem, moeglichst einfachen Versuchsaufbau, laesst sich das mechanisch ueber ein Drehmoment/Drehimpuls messen? |
Der Effekt ist einfach zu klein.
Nehmen wir ein Beispiel:
Ein UI-Kern aus lamellierten Transformatorblechen mir 1 cm² Querschnitt
Durch eine Spule erzeugst in dem Eisen ein Feld von 2 T (Tesla) ... mehr geht nicht.
Um eine Magnetfeldänderung zu erzeugen, schlägst den I-Teil des Kerns in 0,1 s weg.
dann hast Du am 4 cm langen Umfang des Querschnitts eine Elektrische Feldstärke E in V/m
Schon mit den Einheiten kanns diese errechnen:
2 T (Tesla = Volt Sekunden pro Meter²)
Feldstärke E = (2 T * 1 cm²) / (0,1 s * 4 cm ) = 50 mN/C = 50 mV/m
Mit dem Impulssatz
Kraft mal Zeit = (Masse mal Geschwindigkeit)
sagen wir, das Kügelchen wiegt 0,1 µg und hat die Ladung 0,1 pC
Geschwindigkeit v = 50 mN *10^-13 * 0,1 s / (0,1 µg) = 5 µm/s
Das wird kaum zu beobachten sein.
Gewicht und Ladung habe ich geschätzt. Falls Du genauere Werte kennst, kannst ja einsetzen.
_________________
Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ |
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_joe__
Gast
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| _joe__ Verfasst am: 07. Okt 2023 23:18 Titel: Der Effekt wäre zu winzig |
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Ja, danke, da hab ich zu naiv gedacht. Der Effekt ist eine messtechnische Herausforderung. Ich dachte auch schon an eine Resonanz im Wechselfeld. Ob sich also ein schwingfähiges System durch einen selbst so winzigen Effekt aufschaukeln könnte. Sozusagen die Frequenz der Torsionsbewegung messen und die Frequenz der Magnetfeldänderung daran anpassen so dass also viele winzige Impulse nach einer gewissen Zeit zu einer sichtbaren Torsionsschwingung des el. geladenen Rings oder der geladenen Kügelchen führt. Aber ist bis jetzt nur so ein Gedanke, muss ich diesmal besser abschätzen und nicht einfach wieder draufloswurschteln...aber ich fände es irgendwie zutiefst zufriedenstellend wenn sich das irgendwie mechanisch messen liesse.
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_joe__
Gast
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| _joe__ Verfasst am: 12. Okt 2023 06:34 Titel: Ladungsmessung |
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..hab es nicht hingekriegt die Ladung der Styroporkuegelchen zu messen.
War jetzt am PVC Torus mit R=35 mm und r=2mm. Da konnte ich durch
"abstreifen" der Ladung an einem 10 nF Kondensator, also ein Beinchen
an Erde und das andere mit Kupferlitzenbuerstchen zum entlangstreifen
am PVC Torus, eine Spannung von -0.1 bis -0.3 V messen (ueber eine
nicht invertierende OPV Schaltung, Spannungsverstaerkung 1, Eingangswiderstand mehrere Giga Ohm, am Ausgang ein Multimeter). So rechnet sich mit Q=C*U eine Ladung von -1..-3 Nano Coulomb (-1..-3 E-9 As), genauer gehts nicht. Nach ein paar Minuten ist der Torus dann soweit entladen dass nichts mehr messbar ist. Der Torus schwingt an seiner Nylonfadenaufhaengung mit T ca. 16 Sekunden. Also so eine gedachte "Resonanzschwingungsmessung" mit alle 8 Sekunden Strom ein und nach
8 Sekunden wieder ausschalten usw., mechanisch vergleichbar so wie es ein Kind auf einer Schaukel macht, geht sowieso nicht weil die Ladung viel zu schnell "entschwindet".
Bleibt immer noch die Frage wie sich ein elektrisches Wirbelfeld, nach der Definition des elektrischen Feldes, also Kraft pro Ladung, messen laesst.
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isi1
Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
Wohnort: München
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| isi1 Verfasst am: 12. Okt 2023 07:07 Titel: Re: Ladungsmessung |
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| _joe__ hat Folgendes geschrieben: | ..hab es nicht hingekriegt die Ladung der Styroporkuegelchen zu messen.
War jetzt am PVC Torus mit R=35 mm und r=2mm. Da konnte ich durch
"abstreifen" der Ladung an einem 10 nF Kondensator ... eine Spannung von -0.1 bis -0.3 V messen ... Eingangswiderstand mehrere Giga Ohm. ...
Bleibt immer noch die Frage wie sich ein elektrisches Wirbelfeld, nach der Definition des elektrischen Feldes, also Kraft pro Ladung, messen laesst. |
Ich finde die Messung ziemlich gut. Wie schwer ist denn der PVC-Torus?
_________________
Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ |
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_joe___
Gast
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| _joe___ Verfasst am: 12. Okt 2023 12:41 Titel: Gewicht PVC Torus |
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Also der PVC Torus wiegt 2.8 Gramm. Die Nylonfaeden haben einen Durchmesser von 0.14 mm. Feldstaerke/Flussdichte muss ich noch
irgendwie messen...weiss nicht ob ich da an 1 Tesla herankommen kann.
..gibt da noch viele Haken und Oesen.
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 13. Okt 2023 07:44 Titel: Abschaetzung |
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..nu hab ich ein paar Mal hin und her gerechnet
(und wahrscheinlich trotzdem verrechnet und unsauber formuliert):
Bei einem Delta B von 1 Tesla in 10 Millisekunden
erhalte ich eine Feldstaerke von 1 V/m.
Mit F=Q*E bei 2 nC 2 nN, daraus ein Drehmoment von 3.6E-11 Nm.
Traegheitsmoment des Torus ware 3.4E-6 kg*m*m,
Winkelbeschleunigung 1E-5 s^-2, delta Omega 10E-7 s^-1.
Die Bahngeschwindigkeitsaenderung bei jedem Schaltimpuls waere 3.5 nm/s.
Alle 8 Sekunden kommen im Idealfall 3.5 nm/s dazu, nach etwa 3 Tagen
wuerde sich eine Markierung auf dem Ring 1 mm in 16 Sekunden hin und her bewegen.
Da nach ein paar Minuten die Ladung eh vom Torus verschwunden ist, kann man das aber sowieso vergessen.
Selbst wenn ich mich um ein paar Groessenordnungen vertan hab sieht man also nix.
Wie ueberzeugend sind doch da die huepfenden Holundermarkkuegelchen am geriebenen Gummistab.
Genauso lustig sind sie vor meinem geistigen Auge an Nylonfaeden im elektrischen Wirbelfeld um den Elektromagnet herumgetanzt - und dieser sublime Effekt treibt also die ganze Industrie mit ihren Generatoren und Motoren an...also Hut ab, der Faraday hat's echt drauf gehabt.
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3400
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| ML Verfasst am: 13. Okt 2023 12:55 Titel: Re: Wie ließe sich ein elektrisches Wirbelfeld mechanisch me |
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| _joe_ hat Folgendes geschrieben: |
Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
Ein elektrisches Feld hat eine Kraftwirkung auf Ladungen - so ist es definiert.
Mit welchem, moeglichst einfachen Versuchsaufbau, laesst sich das mechanisch ueber
ein Drehmoment/Drehimpuls messen?
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Wenn es unbedingt ein Drehmoment sein muss, würde ich es mit einem analogen Spannungsmessgerät (Drehspulmessgerät) an eine Spule probieren (siehe Bild).
Zunächst wird die Spule über eine Spannungsquelle mit Strom versorgt, beispielsweise mit einem Taster. Wenn der stationäre Strom fließt, trennst Du die Spannungsquelle von der Anordnung. Das analoge Voltmeter misst nun die in der Spule durch Verringerung des Magnetfelds induzierte Spannung, genauer: einen Anteil davon.
Ich bin mir aber nicht sicher, ob man das mit Standard-Equipment in einer Schule gut hinbekommt.
Der Widerstand R muss relativ klein sein, damit er die induzierte Spannung begrenzt. Er darf aber auch nicht ganz klein sein, um die Spannungsquelle nicht zu überlasten. Außerdem fällt ein Teil der induzierten Spannung am Kupferwiderstand  der Spule ab.
Die Zeitkonstante dürfte besonders kritisch sein. Ungefähr in dieser Zeit muss das Messgerät ja reagieren und man muss den Effekt beobachten. Sie beträgt:
Eine große Induktivität bekommst Du nur durch viele Spulenwindungen, diese vergrößert aber den Kupferwiderstand der Spule.
Viele Grüße
Michael
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 13. Okt 2023 15:31 Titel: |
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Danke Michael,
wie koennte ich da der Zeigerauslenkung unmittelbar dem elektrische
Wirbelfeld zuordnen? Also die elektrische Spannung waere Arbeit pro Ladung,
die "Ursache" die Kraftwirkung des elektrischen Feldes, aber muss ja nicht
auf einer geschlossenen Linie sein. Hauptsache Kraft in Richtung des Weges mal Weg. Moeglicherweise denke ich aber auch voellig verkehrt.
Ich hab halt in meiner Naivitaet so was anschauliches wie Griesskoernchen in
Rizinusoel, die sich in konzentrischen Kreisen um den Elektromagnet beim
einschalten anordnen, erhofft.
Gruesse,
joe
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18083
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| TomS Verfasst am: 13. Okt 2023 15:45 Titel: |
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Sowas einfaches wirst du nicht finden, da ein elektrisches Wirbelfeld immer mit einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld einhergeht, d.h. ein statisches elektrisches Wirbelfeld ist unmöglich.
Maxwell-Gleichungen im Vakuum, d.h. außerhalb der Bereiche mit Strömen und Ladungen:
Ein statisches elektrisches Feld
liefert
d.h. B ist sowohl quellen- als auch wirbelfrei:
und somit identisch Null.
Dann ist aber auch das elektrische Wirbelfeld identisch Null, da
_________________
Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 13. Okt 2023 17:19 Titel: |
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Danke Tom,
gefaellt mit gut dieses Forum. Hab inzwischen schon viel darin gelesen
und es ist erstklassig. Deshalb hab ich meine Frage hier ja auch nicht leichtfertig
eingestellt. Erst nachdem sich alle mir verfuegbaren Informationsquellen
ausgeschwiegen haben.
Ein Magnetfeld kann ja keine Arbeit an einer Ladung verrichten.
Wenn ich also irgendwas mit Kraft in Richtung des Weges mal Weg beobachten
kann, dann kanns nur vom elektrischen Feld herruehren.
Moeglicherweise ist ja das elektrische Wirbelfeld mit F=q*E so "direkt" nicht
messbar. Dann waers halt so. Sozusagen das Ende der Anschaulichkeit fuer so
einfach gestrickte Gemueter wie meins. Misst man halt die induzierte Spannung
und gut ist. Ist zwar schade, aber damit kann ich leben.
Gruesse,
Joe
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18083
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| TomS Verfasst am: 14. Okt 2023 07:32 Titel: |
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| _joe_ hat Folgendes geschrieben: | | Moeglicherweise ist ja das elektrische Wirbelfeld mit F=q*E so "direkt" nicht messbar. |
Doch, ist es.
Die o.g. Lorentzkraft reduziert sich für eine ruhenden Ladung mit
auf die rein elektrische Kraft
Diese ist sicher messbar, wenn auch aufgrund der Größenordnungen des Effektes nicht ganz so einfach.
Diese Kraft ist ein rein lokaler Effekt am Ort der Ladung. Sie unterscheidet damit nicht zwischen Gradient- und Wirbelfeld.
_________________
Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3400
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| ML Verfasst am: 14. Okt 2023 09:52 Titel: |
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Hallo,
| _joe_ hat Folgendes geschrieben: |
wie koennte ich da der Zeigerauslenkung unmittelbar dem elektrische
Wirbelfeld zuordnen?
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Bei einer Spule mit Magnetfeldänderung hast Du immer einen Wirbelanteil des Feldes. Der sieht aber nicht so schön symmetrisch rund aus wie Du ihn Dir jetzt vorstellst. Im Spulendraht selbst hast Du materialbedingt näherungsweise  , außerhalb hast Du überwiegend  .
Dem Voltmeter ist es egal, wie das bei ihm lokal vorhandene E-Feld entstanden ist. Es kann zwischen Wirbelfeldern und Potentialfeldern nicht unterscheiden.
Andererseits: Was ist so unanschaulich daran, wenn man sagt, das Magnetfeld hat die beiden Drahtenenden der Spule unterschiedlich aufgeladen. Wenn Du die Spannung dann noch mit einem analogen Oszilloskop statt eines Voltmeters anzeigst, hast Du ja wirklich das E-Feld genutzt, um Ladungen auszulenken.
| Zitat: |
Ich hab halt in meiner Naivitaet so was anschauliches wie Griesskoernchen in
Rizinusoel, die sich in konzentrischen Kreisen um den Elektromagnet beim
einschalten anordnen, erhofft. |
Das Problem ist, dass die elektrischen Kräfte relativ klein sind. Mit einer Spule kann man sie ver-N-fachen und auf einen Bereich zwischen zwei Klemmen verlagern.
Was Du noch überlegen könntest ist, einen Kurzschlussring um einen Magnetkern zu legen und ihn zum Glühen zu bringen. Dann hast Du im Prinzip einen Trafo mit  gebaut. In diesem Kurschlussring fließen ordentliche Ströme. In der Schulphysik ist dazu folgendes Experiment bekannt:
https://www.youtube.com/watch?v=PN032jH5WhI
Wenn man dieses Video Schülern vorführt, sollte man jedoch erwähnen, dass ein 100-Hz-Brummen zu hören ist, nicht ein 50-Hz-Brummen. Meines Erachtens ist das ein Effekt, der auf Magnetostriktion beruht.
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetostriktion
Sowohl bei maximalem B in eine Längsrichtung des Magnetkerns als auch bei maximalem B in die entgegengesetzte Richtung wird das Magnetmaterial verlängert. Dadurch verdoppelt sich die Netzfrequenz gerade.
Viele Grüße
Michael
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 14. Okt 2023 15:57 Titel: |
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..das mit dem 100 Hz Brummen ist interessant. Muss ich gleich mal bei meinem
Halogentrafo an der Decke ueber mir messen. Den hoer ich manchmal.
Tja, die elektrischen Wirbelfeldstaerken sind vergleichsweise winzig bei
den "ueblichen" Elektromagneten.
Bei einem Radius von z.B. 2 cm und einer magnetischen Flussdichteanderung
von einem Tesla in 10 Millisekunden waere der Betrag der elektrischen Feldstaerke
gerade mal E = 0.02m/2 * 1 Tesla/0.01s = 1 V/m - also an jeder Stelle tangential
am "Kreisumfang".
Wie misst man Feldstaerken von 1 V/m mit E = F/q, also ueber die Kraft bei
gegebener Ladung?
Gar nicht weil "geht nicht".
Is schon klar, nimmt man halt eine Drahtwindung mit r = 2 cm mit offenen Enden und
misst zwischen den Enden eine Spannung aufm Oszi und ist zufrieden. Kann man ja
sogar um nen Ringkern legen, da gibts ausserhalb kein Magnetfeld. Das kann man sogar
messen dass es das da nicht gibt. Also gibts nur noch den elektrischen Feldwirbel und der
wars dann halt.
Wie gesagt, ist schade, gibt dem elektrischen Wirbelfeld sowas unanschaulich sublimes.
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 14. Okt 2023 16:28 Titel: |
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Ja also mein Halogentrafo brummt mit 50 aber auch 100 Hz.
Also mit Mikrofon gemessen. Die 100 Hz sind also der Magnetostriktion
geschuldet - interessant. Vielleicht kann man so aehnlich ja auch elektrische Feldstaerken mit einem Dielektrikum messen.
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
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| ML Verfasst am: 14. Okt 2023 18:18 Titel: |
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Hallo,
| _joe_ hat Folgendes geschrieben: | Ja also mein Halogentrafo brummt mit 50 aber auch 100 Hz.
Also mit Mikrofon gemessen. Die 100 Hz sind also der Magnetostriktion
geschuldet - interessant.
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Oder Obertöne; das kann man nicht so einfach auseinanderhalten. Im Video ist fast nur 100 Hz zu hören.
| Zitat: |
Vielleicht kann man so aehnlich ja auch elektrische Feldstaerken mit einem Dielektrikum messen. |
Elektrostriktion und Piezosensoren gibt es auch.
Viele Grüße
Michael
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 15. Okt 2023 22:00 Titel: |
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Eine letzte Frage haette ich noch zur Formulierung.
Ein sich zeitlich aenderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
( ..das waere umgangssprachlich mit einer zeitlichen Verzoegerung assoziiert)
Ein sich zeitlich aenderndes Magnetfeld erzeugt instantan ein elektrisches Wrbelfeld.
(..also ohne irgendwelche zeitliche Verzoegerung)
Ein sich zeitlich aenderndes Magnetfeld ist auch ein elektrisches Wirbelfeld.
(..so wie es das Gleichheitszeichen in der Maxwellgleichung Nabla x E = - dB/dt beschreiben wuerde)
...
Oder nochmal ganz anders..
Wie sagt man das richtig?
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3400
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| ML Verfasst am: 15. Okt 2023 22:53 Titel: |
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Hallo,
| _joe_ hat Folgendes geschrieben: |
Ein sich zeitlich aenderndes Magnetfeld ist auch ein elektrisches Wirbelfeld.
(..so wie es das Gleichheitszeichen in der Maxwellgleichung Nabla x E = - dB/dt beschreiben wuerde)
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Ich nutze gerne "geht mit ... einher", also beispielsweise so:
"Die Änderung der magnetischen Flussdichte geht mit einer lokalen Wirbelstärke der elektrischen Feldstärke einher."
Viele Grüße
Michae
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 15. Okt 2023 23:28 Titel: |
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Diese Formulierung gefaellt mir. Die merk ich mir. Danke.
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Hypertron
Anmeldungsdatum: 16.07.2023
Beiträge: 17
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| Hypertron Verfasst am: 23. Okt 2023 11:59 Titel: |
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Zu dem im Eingangsbeitrag beschriebenen Problem gibt es eine klassische Arbeit von Oliver Lodge von 1889:
"On an Electrostatic Field Produced by Varying Magnetic Induction", Philosophical Magazine Vol. 27 (1889), S. 469
Die Arbeit beschreibt ausführlich, wie schwierig es ist, den betrachteten Effekt zu messen, und wieviele Probleme dabei überwunden werden mussten.
Zuletzt bearbeitet von Hypertron am 23. Okt 2023 18:59, insgesamt einmal bearbeitet |
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_joe_
Anmeldungsdatum: 28.09.2023
Beiträge: 10
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| _joe_ Verfasst am: 23. Okt 2023 17:08 Titel: |
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Fantastisch. Vielen Dank. Der Einblick in die damalige Experimentierkunst
ist sehr aufschlussreich. Damit die elektrische Ladung moeglichst lang auf den Probekoerperchen verbleibt, hat man den Aufbau ueber mit konzentrierter Schwefelsaeure vollgesaugtem Asbest getrocknet und trocken gehalten. Als geladene Probekoerperchen wurden versuchsweise ultraduenn versilberte Glimmerplaettchen verwendet - und fuer nicht gut genug befunden.
(Die elektrische Ladung hab ich durch Reiben des PVC Torus an meinem Hemd aufgebracht - vergleichsweise ein Witz.)
Alles wurde damals in Betracht gezogen was stoerend wirken koennte, auch die Windstaerke die am Haus ruettelt und die Messung verfaelscht.
(Ist klar, ich kann da mit meinem Aufbau einpacken.)
Aber ich finde es gut dass so eine Messung durchgefuehrt wurde. Scheinbar ist es seither nie mehr versucht worden - warum auch immer.
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