Elementare Ursache von Kräften auf Objekte

Rainer Raisch schrieb:

Merilix schrieb:

Woher wissen die freien Ladungsträger in einem kleinen Stückchen Draht ob der Stromkreis an einer Stelle ganz weit weg geschlossen ist?

Na Du bist ja gut. Ob sich Ladungen bewegen, erfahren alle anderen mit Lichtgeschwindigkeit. Aus einer anfänglichen Verdichtung bzw Wellenfront wird so in NullKommaNix ein Stromfluss.

 

Na du bist gut. Am Anfang, in dem Moment wo der Schalter geöffnet oder geschlossen wird bewegt sich da noch nichts. Trotzdem wissen die Ladungen quasi sofort was sie zu tun haben, ob sie auf die Fluxänderung reagieren sollen oder nicht?

Rainer Raisch schrieb:

1. introducing more loops is redundant - thus they add nothing.

Und unsere Lösung:
2. what if we had only a single voltmeter whose leads were not in a plane parallel to the circuit, but perpendicular to it, connected to the same points in the middle? What would it show? -0.1 V + 0.9 V = 0.8 V?
 

Die Antwort 1 von Lewin ist falsch und die vorgeschlagene Antwort in Frage 2 ist ebenfalls falsch.

Um das Problem komplett zu lösen, müssen wir das Problem a) vereinfachen und b) vervollständigen.

Zuerst vereinfachen wir das Experiment:

1) Wir nehmen das EMF ℰ = U
2) wir nehmen einen Draht
was passiert? Nichts.
3) Wir machen aus dem Draht einen Ring.
Was passiert? Nichts.
4) Nun legen wir den Ring um das EMF.
Was passiert? Er wird warm, oder bei geübtem Experimentator sogar heiß.
5) Nun nehmen wir ein Messgerät und fügen es in den Stromkreis und messen U.
6) Nun nehmen wir einen Widerstand und legen ihn rechts vom EMF hin.
Dann schließen den Stromkreis mit dem Messgerät.

Bevor wir messen, vervollständigen wir das Experiment, denn es gibt drei interessante Positionen für das Messgerät links L, mittig M, und rechts R.
a) rechts messen wir 0, denn das EMF wird nicht umschlossen.
b) links messen wir U, denn das EMF wird umschlossen.
c) mittig messen wir U/2, denn nur das halbe EMF wird umschlossen.

7) Nun nehmen wir den zweiten Widerstand, verbinden diesen zusätzlich mit den Lötstellen und legen ihn links vom EMF hin, sowie das Messgerät in die drei Positionen.

Wir erhalten jedes Mal drei Loops:
L aus den beiden Widerständen,
LL aus dem Messgerät und dem linken Widerstand und
LR aus dem Messgerät umd dem rechten Widerstand.

L ~ U = U1+U2 ist von der Position des Messgerätes unabhängig
U1 ~ R1/(R1+R2)
U2 ~ R2/(R1+R2)

a) Das Messgeräte kommt auf die linke Seite.
LL ~ 0 denn das EMF wird nicht umschlossen
LR > 0 denn das EMF wird umschlossen
Lx = LL+LR > 0

b) Das Messgerät kommt auf die rechte Seite
LL < 0 denn das EMF wird umschlossen
LR ~ 0 denn das EMF wird nicht umschlossen
Lx = LL+LR < 0

c) Das Messgerät kommt in die Mitte
LL < 0 denn das EMF wird umschlossen
LR > 0 denn das EMF wird umschlossen
Das Messgerät zeigt also NULL an
Lx = LL+LR = 0

Lx = 0 gibt uns keine Information, aber Lx < 0 oder Lx > 0 zeigt uns, welcher Wert von U1 bzw U2 angezeigt wird, man muss also gerade LL UND LR untersuchen, Lewin untersucht NUR den Fall LL=0 und LR=0 was beides keine Information liefert.

Dazu brauche ich weder Faraday noch Kirchhoff sondern nur Ohm.

Nachtrag:
Natürlich kann man nach Ohm einfach sagen, dass die Messung immer den parallelen Widerstand auf der selben Seite betrifft und nicht den seriellen Widerstand gegenüberliegend. Das macht Lewin natürlich stillschweigend.

Hallo Rainer
leider ist an der experimentellen Anordnung, die dir vorschwebt einiges unklar.
Du scheinst über die Schaltung von Prof. Lewin zu sprechen die zwei verschiedene Widerstände umfasst und in die eine Spannung von 1 Volt induziert wird.
Zwischen beiden Widerständen wird ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Ist das soweit richtig?
Nun aber sprichst du von drei Schaltkreisen, dem zu testenden Schaltkreis und jeweils einem Messkreis mit einem von beiden Widerständen. Das Spannungsmessgerät ist jedoch lediglich an den beiden Messkreisen mit jeweils einem der Widerstände beteiligt und hat keinen Zugriff auf den zu testenden Stromkreis.
Lediglich in beiden Messkreisen kann das Spannungsmessgerät zusätzlich zu der am Widerstand abfallenden Spannung noch induzierte Spannung messen. Diese hängt aber vom genauen Verlauf der Leitungen zum Spannungsmessgerät ab.
Besteht die Fragestellung nun darin, die Anzeige des Spannungsmessgeräts für unterschiedliche Verläufe der Messleitungen vorherzusagen?
 

Wolfgang24-1 schrieb:

Das Spannungsmessgerät ist jedoch lediglich an den beiden Messkreisen mit jeweils einem der Widerstände beteiligt und hat keinen Zugriff auf den zu testenden Stromkreis.

Korrekt.
So habe ich es auch beschrieben.

Wolfgang24-1 schrieb:

Diese hängt aber vom genauen Verlauf der Leitungen zum Spannungsmessgerät ab.
Besteht die Fragestellung nun darin, die Anzeige des Spannungsmessgeräts für unterschiedliche Verläufe der Messleitungen vorherzusagen?

Der einzige Unterschied bei der lokal begrenzten EMF ist, ob diese vom Kreis eingeschlossen wird oder nicht. Der "genaue" Verlauf ist im Rahmen der Messungen egal.

Auch die Position des Messgerätes muss man gar nicht verändern, es genügt, die Leitungen entsprechend zu verlegen.

Bei der mittigen Messung muss man natürlich exakt arbeiten.

Rainer Raisch schrieb:

4) Nun legen wir den Ring um das EMF.

Du meinst das in der Mitte konzentrierte, veränderliche B-Feld.
EMF meint doch bei Lewin "Electro Motive Force" und ist eine Spannung U = R∙I bzw. ein elektrisches Feld zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Beim Maschensatz wird diese Spannung E genannt: ∮E ds = 0 (Kirchhoffs Loop Rule).
. 

Rainer Raisch schrieb:

1. introducing more loops is redundant - thus they add nothing.

Und unsere Lösung:
2. what if we had only a single voltmeter whose leads were not in a plane parallel to the circuit, but perpendicular to it, connected to the same points in the middle? What would it show? -0.1 V + 0.9 V = 0.8 V?

Die Antwort 1 von Lewin ist falsch und die vorgeschlagene Antwort in Frage 2 ist ebenfalls falsch.

Starke Worte. Möglich dass der Vorschlag mit 0,8 V in der Mitte falsch ist.
Aber deine Lösung mit 0 V in der Mitte stimmt auch nicht. Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.
.

Rainer Raisch schrieb:

5) Nun nehmen wir ein Messgerät und fügen es in den Stromkreis und messen U.
6) Nun nehmen wir einen Widerstand und legen ihn rechts vom EMF hin.
Dann schließen den Stromkreis mit dem Messgerät.

Wo öffnen wir den Ring um das Messgerät einzufügen? Egal wo, denke ich mal.
Widerstand nur hinlegen? Er ist schon galvanisch mit dem Ring verbunden hoffe ich.
.

Rainer Raisch schrieb:

Natürlich kann man nach Ohm einfach sagen, dass die Messung immer den parallelen Widerstand auf der selben Seite betrifft und nicht den seriellen Widerstand gegenüberliegend. Das macht Lewin natürlich stillschweigend.

Doch nicht stillschweigend. Das ist gerade der Sinn und Zweck des ganzen Versuchs. Es soll der Potentialunterschied in der Ringleitung zwischen den Anschlüssen jedes einzelnen Widerstands festgestellt werden. Das gibt Aufschluss über Verteilung die elektrischen Spannung in der Ringleitung. Das gemessene EMF = Electro Motive Force ist jeweils die Spannung U = R∙I am Widerstand zwischen den Messpunkten im Ring. 

Diese Spannung ist eben an den denselben Messtellen unterschiedlich. Man kann also nicht wie Kirchhoff sagen, dass eine bestimmte Spannung zwischen zwei Messpunkten im Ring "ihren Sitz hat". Das ist nicht der Fall.

Steinzeit-Astronom schrieb:

Doch nicht stillschweigend.

Doch, es geht um die Zuordnung des Messwertes zu einem der beiden Widerstände. Das ist bei einem Ring ja nicht gerade trivial, wenngleich es natürlich klar ist, dass es die gleiche Drehrichtung sein muss.

Rainer Raisch schrieb:

Steinzeit-Astronom schrieb:

Doch nicht stillschweigend.

Doch, es geht um die Zuordnung des Messwertes zu einem der beiden Widerstände. Das ist bei einem Ring ja nicht gerade trivial, wenngleich es natürlich klar ist, dass es die gleiche Drehrichtung sein muss.

Und da wird "stillschweigend" zugeordnet? Es wird doch in allen Details erklärt , wie und warum diese Zuordnung zustande kommt. Und es wird natürlich vorgerechnet. Schweigen geht anders. Manchmal dingt schon der Anwalt in dir durch ;–).

Steinzeit-Astronom schrieb:

 Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.

seltsam

Steinzeit-Astronom schrieb:

Und da wird "stillschweigend" zugeordnet?

 

Naja rechne doch mal den R1V2 Loop aus.
Aber kann schon sein, das geht ja nach Faraday. Ich meine aber, dass da das Gegenteil rauskommt.

Rainer Raisch schrieb:

Steinzeit-Astronom schrieb:

 Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.

seltsam

gar nicht seltsam. Er hat ja das Messgerät seitlich stehen und fängt somit die halbe EMF ein.

Bei meinem Versuch ist zwar die Position des Messgerätes egal, aber es befindet sich zwischen den Anschlüssen.
Ich kann die Kabelführung in dem Video jedenfalls nicht identifizieren, es sieht ja aus wie ein Kurzschluss.

Und mit dem Oszilloskop ist unklar, ob der Widerstand der Messung hoch genug ist. Wenn der Messtrom hoch ist, ändert sich natürlich die ganze Rechnung.

Steinzeit-Astronom schrieb:

Aber deine Lösung mit 0 V in der Mitte stimmt auch nicht. Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.


 

Danke,
Das bestätigt eigentlich meine Vermutung (mehr war das auch nicht)

Bleibt natürlich das er sich über die Schirmung der Koaxleitung im Kreis die selbe Induktion eingehandelt haben kann die damit unterdrückt werden sollte.
Da müsste man jetzt genau wissen wie er das verlötet hat.

Messungen sind tricky und auch welche Information man daraus gewinnt.
Effektiv wird nur der Spannungsabfall über dem Widerstand auf der Seite gemessen.
Über die Spannungsverteilung im Ring erhält man keine Information.
Bisher spricht nichts dagegen die induzierte Spannung anteilig am Umfang aufzuteilen.

Steinzeit-Astronom schrieb:

EMF meint doch bei Lewin "Electro Motive Force"


 

Das kann in der Tat zu Sprachverwirrung führen das das Akkronym EMF zwei verschiedene Bedeutungen haben kann.
ElectroMotiveForce vs ElectroMagneticField.

Merilix schrieb:

Das kann in der Tat zu Sprachverwirrung führen das das Akkronym EMF zwei verschiedene Bedeutungen haben kann.
ElectroMotiveForce vs ElectroMagneticField.

Naja, ich meinte damit schon die QUELLE der EMF U also letztlich auch das EMF H.

Rainer Raisch schrieb:

Merilix schrieb:

Das kann in der Tat zu Sprachverwirrung führen das das Akkronym EMF zwei verschiedene Bedeutungen haben kann.
ElectroMotiveForce vs ElectroMagneticField.

Naja, ich meinte damit schon die QUELLE der EMF U also letztlich auch das EMF H.

EMF H? Henry?

Dieses in der Mitte sich verändernde B-Feld ist ein magnetisches mit magnetischen Feldlinien. Durch die Veränderung entsteht im Ring dann ein elektrisches, eben das EMF (ElectroMotiveForce) als Spannung, die wir üblich mit U bezeichnen (nicht wie bei Kirchhoff mit E). Das ganze Phänomen heißt elektromagnetische Induktion, wegen des rein elektrischen Felds im Ring und des rein magnetischen Felds außerhalb.

Jetzt muss ich auch mal dumm fragen: Über was reden wir eigentlich? Wenn diese Grundlage nicht mal klar ist?

Merilix schrieb:

Da müsste man jetzt genau wissen wie er das verlötet hat.

Je eine schwarze Koaxleitung gehört zu einem Messgerät. Sie ist der Hin-und Rückweg, dazwischen liegt ein Stück vom Ring mit einem Widerstand. Das Stück vom Ring samt Widerstand ist das Messobjekt. Nachtrag: Eigentlich liegen immer zwei halbe Ringe dazwischen mit je einem Widerstand.

Koax hier als zweiadriges Kabel sozusagen, was m.E. auch gereicht hätte. Abgegriffen wird an zwei gegenüberliegenden Punkten im Ring, die Abschirmung verlötet auf einer Seite zwischen den Widerständen und der mittlere Leiter vom Koax auf der anderen Seite am Ring( im Bild rechts):


Es ist praktisch das, was ich gezeichnet habe, nur dass die Anschlusspunkte fix in der Mitte liegen und die Messgeräte (Koax) hoch- und runter geschwenkt werden können, wie du auch schon vorgeschlagen hast. Meine Zeichnung war diese:

.

Merilix schrieb:

Steinzeit-Astronom schrieb:

Aber deine Lösung mit 0 V in der Mitte stimmt auch nicht. Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.

Messungen sind tricky und auch welche Information man daraus gewinnt.
Effektiv wird nur der Spannungsabfall über dem Widerstand auf der Seite gemessen.
Über die Spannungsverteilung im Ring erhält man keine Information.

Doch: Man erhält eindeutig die Information, dass die Spannungsverteilung im Ring nicht fix ist, sondern nach Maxwell und Faraday vom Pfad abhängt. Der Spannungsabfall zeigt doch die Spannungsverteilung.

Merilix schrieb:

Bisher spricht nichts dagegen die induzierte Spannung anteilig am Umfang aufzuteilen.

Doch natürlich: Die Abgriffe bleiben ja an Ort und Stelle auf dem Umfang. Die messbare Spannung zwischen diesen Anschlüssen dürfte sich nicht verändern, wenn du recht hättest und die Spannung am Umfang fix aufgeteilt wäre wie in deiner Ersatzschaltung.

Rainer Raisch schrieb:

Steinzeit-Astronom schrieb:

 Jemand hat es hier mal nachgemessen , und da kommt eindeutig nicht 0 raus.

seltsam

gar nicht seltsam. Er hat ja das Messgerät seitlich stehen und fängt somit die halbe EMF ein.[/quote]
Jetzt fängst du auch schon wie Merlilix an. Wo das Messgerät steht ist doch ganze egal. Die Messleitungen sind fix verlötet an gegenüberliegenden Seiten vom Ring und laufen jeweils dicht nebeneinander in den schwarzen Kabeln. Dadurch umschließen die Messleitungen selber praktisch keine Fläche und fangen deshalb auch nichts ein. Beim hochohmigem Messgerät wäre das eh egal, ob sie ein bisschen was einfangen.

Was zählt ist der Winkel einer schwarzen Messleitung zur darunterliegenden Ebene. Die unter der Messleitung liegende Fläche bis zum äußeren Rand ist die vom B-Feld durchflutete. Allein diese Fläche bestimmt die gemessene Spannung auf jeder Seite. Deshalb ändert sich diese Spannung je nach Winkel.

Rainer schrieb:
Der einzige Unterschied bei der lokal begrenzten EMF ist, ob diese vom Kreis eingeschlossen wird oder nicht. Der "genaue" Verlauf ist im Rahmen der Messungen egal.

Du möchtest doch bei "mittigem Verlauf" jeweils genau die Hälfte des magnetischen Flusses oder der EMF, wie du das ausdrückst, in den Messkreisen einfangen. Damit das gelingen kann, müsstest du dafür zunächst den exakten Verlauf der Messleitungen mit einem Testkreis, am besten mit gleich großen Widerständen, auf den Messwert 0 eichen/abgleichen.
Nach erfolgreicher Eichung müssen dann alle Leitungen fixiert werden und die gleichen Widerstände können dann durch die gewünschten unterschiedlichen Widerstände ersetzt werden.

Steinzeit-Astronom schrieb:

EMF H? Henry?

H = B/μ magn.Feldstärke, äußeres Magnetfeld

 

Steinzeit-Astronom schrieb:

(nicht wie bei Kirchhoff mit E).

E = ∇Φe = U/s
U = ΔΦe

Wolfgang24-1 schrieb:

Damit das gelingen kann, müsstest du dafür zunächst d

Es ist ein Gedankenexperiment.
Aber ich ging davon aus, dass der Verlauf sich gegenseitig ausgleicht, wenn die Leitung nur durchs Zentrum geht. Das setzt natürlich voraus, dass das gesamte "wirksame" Zentrum halbiert wird. Wenn aber im Außenbereich die Leitung hin- und hergeht, müsste sich das praktisch ausgleichen, also keine Rolle spielen.

Rainer Raisch schrieb:

Steinzeit-Astronom schrieb:

(nicht wie bei Kirchhoff mit E).

E = ∇Φe = U/s
U = ΔΦe

Na meinetwegen. Jedenfalls betrifft E ausschließlich die elektr. Spannung U im Leiter.

Nabla & Co. sind keine guten Bekannten von mir. Sie wechseln komischerweise immer die Straßenseite, wenn sie mich am Kopf erblicken. Vllt. sollte ich sie mal auf ein Bier einladen, aber bis jetzt reicht es mir, wenn ich von ihrer Existenz weiß... will diese Nabla nicht heiraten ;–).

Und wer zum Geier ist e?

Steinzeit-Astronom schrieb:

Nabla & Co. sind keine guten Bekannten von mir.

Das ist nur die räumliche Ableitung, also das Gefälle und wegen des (1/r²)-Gesetz dasselbe wie 1/r
E = ∇Φe = Φe/r = kC·Q/r²
während die Spannung die Differenz von zwei konkreten Messpunkten in bestimmter Entfernung ist, besser zu handhaben bei Leitungen, wo das Potential überall gleich ist und daher zum anderen Pol nicht von der Entfernung abhängt.
U = ΔΦe

Steinzeit-Astronom schrieb:

Je eine schwarze Koaxleitung gehört zu einem Messgerät. Sie ist der Hin-und Rückweg, dazwischen liegt ein Stück vom Ring mit einem Widerstand.

Achso, ja das klingt sauber.
Dann hat mich also meine Intuition fehlgeleitet, nach Faraday spielt ja auch der Strom im anderen Loop für dasselbe Bauteil im untersuchten Loop eine Rolle. Das war in meiner Rechnung nicht enthalten.

Die Messung sieht ja auch gut kontinuierlich aus, nicht so erratisch wie Lewin warnte.

Rainer Raisch schrieb:

c) Das Messgerät kommt in die Mitte
LL < 0 denn das EMF wird umschlossen
LR > 0 denn das EMF wird umschlossen

Hier muss der Fehler liegen, weil zB LL ≪ -LR
erstaunlich.

Rainer Raisch schrieb:

Es ist ein Gedankenexperiment.
Aber ich ging davon aus, dass der Verlauf sich gegenseitig ausgleicht, wenn die Leitung nur durchs Zentrum geht.

Wenn man die Leitung vertikal runter projiziert und so die die magnetisch durchflutete Kreisfläche in zwei Teile zerschneidet, dann spielen beide Teile eine Rolle für das Messergebnis. Man hat dann tatsächlich zwei durchflutete Loops mit je einem Widerstand. Der Messwert hängt von beiden durchfluteten Flächen ab, und natürlich vom Widerstand in jeder Loop.

Das bedeutet aber nicht, dass bei exakter Mittelstellung der Messwert Null sein müsste. Hat man zwei Messgeräte und bringt beide in Mittelstellung, dann zeigen beide denselben Wert, wie man im Video sieht. Stehen sie rechts und links der Mitte, dann zeigen sie unterschiedliche Werte, im Extremfall flach gelegt so verschieden wie bei Lewin. Denn so verschwindet die darunter liegende durchflutete Fläche und es wird nur noch einseitig die Spannung am jeweiligen Widerstand festgestellt.