Berechnung der vom Wasserstoffkern erzeugten Gravitations- und elektrischen Feldstärke bei 0,5*10^-10m.

Question

Berechnung der vom Wasserstoffkern erzeugten Gravitations- und elektrischen Feldstärke bei 0,5*10^-10m.

Antwort

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Wie erkläre ich einem Laien einfach die allgemeine Relativitätstheorie?

Welche Messgrößen gibt es für die Gravitation?

Wie stark kann ein elektromagnetisches Feld sein?

Was ist Raumzeitkrümmung?

Gravitation: Newtons Gesetz oder Raumzeitkrümmung – was stimmt?

Warum werden masselose Photonen durch Gravitation beeinflusst?

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Um die Gravitations- und elektrische Feldstärke eines Wasserstoffkerns (Protons) im Abstand von \(0,5 \times 10^{-10} \, \text{m}\) zu berechnen, verwenden wir die entsprechenden Formeln. 1. **Gravitationsfeldstärke \(E_g\)**: Die Gravitationsfeldstärke wird durch die Formel gegeben: \[ E_g = \frac{G \cdot m}{r^2} \] wobei: - \(G \approx 6,674 \times 10^{-11} \, \text{m}^3/\text{kg} \cdot \text{s}^2\) (Gravitationskonstante), - \(m \approx 1,67 \times 10^{-27} \, \text{kg}\) (Masse eines Protons), - \(r = 0,5 \times 10^{-10} \, \text{m}\). Setzen wir die Werte ein: \[ E_g = \frac{6,674 \times 10^{-11} \cdot 1,67 \times 10^{-27}}{(0,5 \times 10^{-10})^2} \] \[ E_g \approx \frac{1,113 \times 10^{-37}}{2,5 \times 10^{-21}} \approx 4,45 \times 10^{-17} \, \text{N/kg} \] 2. **Elektrische Feldstärke \(E_e\)**: Die elektrische Feldstärke wird durch die Formel gegeben: \[ E_e = \frac{k \cdot Q}{r^2} \] wobei: - \(k \approx 8,988 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2\) (Coulomb-Konstante), - \(Q \approx 1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\) (Ladung eines Protons), - \(r = 0,5 \times 10^{-10} \, \text{m}\). Setzen wir die Werte ein: \[ E_e = \frac{8,988 \times 10^9 \cdot 1,602 \times 10^{-19}}{(0,5 \times 10^{-10})^2} \] \[ E_e \approx \frac{1,437 \times 10^{-9}}{2,5 \times 10^{-21}} \approx 5,75 \times 10^{11} \, \text{N/C} \] Zusammenfassend ergibt sich: - Die Gravitationsfeldstärke \(E_g \approx 4,45 \times 10^{-17} \, \text{N/kg}\). - Die elektrische Feldstärke \(E_e \approx 5,75 \times 10^{11} \, \text{N/C}\).

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Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass große Massen wie Planeten oder Sterne den Raum um sich herum krümmen – ähnlich wie eine schwere Kugel eine Matratze eindr&uum... [mehr]

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Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass große Massen wie Planeten oder Sterne den Raum um sich herum krümmen – ähnlich wie eine schwere Kugel eine Matratze eindrückt. Diese Krümmung sorgt dafür, dass sich andere Dinge, wie Licht oder kleinere Körper, auf bestimmten Bahnen bewegen. Was wir als „Schwerkraft“ spüren, ist also eigentlich die Folge davon, dass der Raum durch Massen verbogen wird.

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Die wichtigsten Messgrößen der Gravitation sind: 1. **Gravitationskonstante (G):** Sie gibt die Stärke der Gravitation an und hat den Wert \( G = 6{,}674 \times 10^{-11} \,... [mehr]

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Die wichtigsten Messgrößen der Gravitation sind: 1. **Gravitationskonstante (G):** Sie gibt die Stärke der Gravitation an und hat den Wert \( G = 6{,}674 \times 10^{-11} \, \mathrm{m}^3\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{s}^{-2} \). 2. **Gravitationskraft (F):** Die Kraft, mit der sich zwei Massen anziehen. Sie wird mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz berechnet: \( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \) wobei \( m_1 \) und \( m_2 \) die Massen und \( r \) der Abstand zwischen den Massen ist. 3. **Gravitationsfeldstärke (g):** Sie beschreibt die Kraft pro Kilogramm Masse an einem bestimmten Ort: \( g = \frac{F}{m} \) Auf der Erdoberfläche beträgt sie etwa \( 9{,}81\,\mathrm{m/s}^2 \). 4. **Gravitationspotential (Φ):** Das Potential beschreibt die potentielle Energie pro Masse im Gravitationsfeld: \( \Phi = -G \frac{M}{r} \) wobei \( M \) die Masse des Zentralkörpers und \( r \) der Abstand ist. Diese Größen werden in der Physik verwendet, um die Wirkung der Gravitation zu beschreiben und zu messen.

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Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Stromstärke, der Bauweise des Elektromagneten und dem v... [mehr]

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Die Stärke eines elektromagnetischen Feldes kann sehr unterschiedlich sein und hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Stromstärke, der Bauweise des Elektromagneten und dem verwendeten Material. **Magnetische Flussdichte (B-Feld):** - Die Stärke eines Magnetfelds wird meist in Tesla (T) gemessen. - Ein typischer Haushaltsmagnet hat etwa 0,01 bis 0,1 Tesla. - Starke Elektromagnete in Laboren erreichen mehrere Tesla, z. B. 10–20 T. - Die stärksten stationären Labormagnete erreichen derzeit etwa 45 T (z. B. im National High Magnetic Field Laboratory, USA: [https://nationalmaglab.org/](https://nationalmaglab.org/)). - Pulsierende Magnetfelder (nur für sehr kurze Zeit) können sogar über 100 T erreichen. **Elektrische Feldstärke (E-Feld):** - Die elektrische Feldstärke wird in Volt pro Meter (V/m) gemessen. - In der Praxis sind Felder von einigen 100.000 V/m (z. B. bei Hochspannungsleitungen) möglich. - In Laboren können mit speziellen Vorrichtungen auch Felder von mehreren Millionen V/m erzeugt werden. **Grenzen:** - Die praktische Grenze wird durch Materialeigenschaften (z. B. Sättigung von Eisenkernen), Kühlung und die Gefahr von elektrischen Durchschlägen gesetzt. - Theoretisch gibt es auch eine sogenannte Schwinger-Grenze (~4,4 × 10^9 T), bei der das Vakuum selbst instabil wird, aber solche Felder sind mit heutiger Technik unerreichbar. **Zusammengefasst:** Mit heutiger Technik sind stationäre Magnetfelder bis etwa 45 Tesla und elektrische Felder bis einige Millionen Volt pro Meter möglich. In Spezialfällen (z. B. Pulsfelder) können Magnetfelder kurzfristig noch deutlich stärker sein.

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Raumzeitkrümmung ist ein zentrales Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Sie beschreibt, wie Masse und Energie das Gefüge von Raum und Zeit beeinflussen. Ste... [mehr]

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Raumzeitkrümmung ist ein zentrales Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Sie beschreibt, wie Masse und Energie das Gefüge von Raum und Zeit beeinflussen. Stell dir die Raumzeit wie ein gespanntes, elastisches Tuch vor. Legst du eine schwere Kugel (z.B. einen Planeten) auf das Tuch, entsteht eine Delle. Diese Delle entspricht der Krümmung der Raumzeit. Bewegt sich nun eine kleinere Kugel (z.B. ein Satellit) in die Nähe der Delle, wird ihre Bahn durch die Krümmung abgelenkt – so wie es bei der Gravitation beobachtet wird. Das bedeutet: Schwerkraft ist keine unsichtbare Kraft, die zwischen zwei Körpern wirkt, sondern das Ergebnis der gekrümmten Raumzeit. Große Massen wie Sterne oder Planeten krümmen die Raumzeit so stark, dass andere Objekte in ihrer Nähe auf gekrümmten Bahnen (sogenannten Geodäten) um sie herum bewegt werden. Zusammengefasst: Raumzeitkrümmung erklärt, warum Massen sich gegenseitig anziehen – sie bewegen sich entlang der durch Masse und Energie gekrümmten Raumzeit.

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Beide Theorien – Newtons Gravitation und Einsteins Raumzeitkrümmung – beschreiben die Gravitation, aber auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlicher Genauigkeit. **Newtons Gr... [mehr]

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Beide Theorien – Newtons Gravitation und Einsteins Raumzeitkrümmung – beschreiben die Gravitation, aber auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlicher Genauigkeit. **Newtons Gravitation** (Klassische Mechanik): Isaac Newton beschrieb die Gravitation als eine unsichtbare Kraft, die zwischen zwei Massen wirkt. Die Stärke dieser Kraft hängt von den Massen und dem Abstand zwischen ihnen ab. Diese Theorie funktioniert sehr gut für viele alltägliche Anwendungen, wie die Bewegung von Planeten im Sonnensystem. **Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie** (Raumzeitkrümmung): Albert Einstein zeigte, dass Gravitation keine Kraft im klassischen Sinn ist, sondern eine Folge der Krümmung der Raumzeit durch Massen und Energie. Große Massen „verbiegen“ die Raumzeit, und andere Objekte bewegen sich auf den dadurch bestimmten Bahnen. Diese Theorie erklärt Phänomene, die Newtons Theorie nicht erklären kann, wie z.B. die Ablenkung von Licht durch Schwerkraft (Gravitationslinsen) oder die genaue Umlaufbahn des Planeten Merkur. **Fazit:** Newtons Theorie ist eine sehr gute Näherung für schwache Gravitationsfelder und niedrige Geschwindigkeiten. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist jedoch die genauere und umfassendere Beschreibung der Gravitation und wird heute als „richtig“ im Sinne der modernen Physik angesehen. In der Praxis wird aber oft noch Newton verwendet, weil es einfacher ist und in vielen Fällen ausreicht. Mehr Infos zur Allgemeinen Relativitätstheorie: https://de.wikipedia.org/wiki/Allgemeine_Relativit%C3%A4tstheorie Mehr Infos zur Newtonschen Gravitation: https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsches_Gravitationsgesetz

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Photonen sind tatsächlich masselos, besitzen also keine Ruhemasse. Dennoch werden sie durch Gravitation beeinflusst, weil Gravitation nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Eins... [mehr]

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Photonen sind tatsächlich masselos, besitzen also keine Ruhemasse. Dennoch werden sie durch Gravitation beeinflusst, weil Gravitation nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein nicht einfach eine Kraft zwischen Massen ist, sondern eine Krümmung der Raumzeit selbst. Laut Einstein bewegen sich alle Objekte – auch masselose wie Photonen – immer entlang der sogenannten Geodäten, also der "geradesten" möglichen Linien in der gekrümmten Raumzeit. Wenn also ein massereiches Objekt wie ein Stern oder ein schwarzes Loch die Raumzeit krümmt, wird auch der Weg eines Photons entsprechend "gebogen". Das bekannteste Beispiel dafür ist die Ablenkung von Licht durch die Sonne, was 1919 bei einer Sonnenfinsternis erstmals beobachtet wurde. Zusammengefasst: Photonen werden nicht durch eine Kraft im klassischen Sinn beeinflusst, sondern folgen einfach dem Verlauf der gekrümmten Raumzeit – und das gilt für alles, egal ob mit oder ohne Masse.