Influenz

Influenz Physik

Bei der Influenz in der Physik geht es allgemein um den Einfluss elektrischer/magnetischer Felder auf bestimmte Materialien.

So, wie Du etwa einen Magneten in die Nähe von Schrauben bringen kannst und diese auf das Magnetfeld reagieren und selbst zum Magneten werden, kannst Du das auch mit einer elektrischen Ladung (elektrisches Feld) auf eine andere elektrische Ladung tun. Die elektrische Influenz ist dabei sogar die Art, die bei der Verwendung des Wortes „Influenz“ oftmals gemeint ist.

Elektrische Influenz einfach erklärt

Stelle Dir vor, Du hast einen elektrischen Leiter. Im Leiter befinden sich frei bewegliche negativ geladene Elektronen um die positiven Atomrümpfe. Die Ladungen sind nah aneinander und gleichen somit einander aus. Jetzt bringst Du eine sehr starke positive elektrische Punktladung in die Nähe des Leiters.

Aufgrund dessen, dass sich verschiedene Ladungen gegenseitig anziehen, zieht die positive Punktladung auch die negativ geladenen Elektronen im Leiter an. Die festen, positiven Atomrümpfe können sich nicht bewegen. Im Leiter kommt es zur Ladungsverschiebung und er bildet somit Plus- und Minuspol aus.

Diese Interaktion ist die elektrische Influenz.

Elektrische Influenz Definition

Der Grund für elektrische Influenz ist nicht direkt eine (Punkt-)Ladung. Vielmehr ist deren elektrisches Feld der Auslöser, dass es zur Ladungsverschiebung in nahen Leitern kommt.

Anhand des elektrischen Feldes kannst Du Dir auch erklären, warum es zur Influenz kommt.

Elektrische Influenz elektrisches Feld

Betrachte wieder die Situation vom Anfang: Du hast einen einfachen elektrischen Leiter. Dort hast Du die positiven, festen Atomrümpfe und darum, gleichmäßig verteilt, negativ geladene Elektronen. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung gleich großer Ladungen herrscht kein elektrisches Feld.

Jetzt bringst Du den Leiter wieder in die Nähe einer stark elektrisch positiv geladenen Punktladung und es kommt zur elektrischen Influenz. Die Punktladung besitzt ein elektrisches Feld \(E_P\). Dieses elektrische Feld wirkt nun auf die Ladungsträger im Leiter: negative Elektronen werden angezogen, positive Atomrümpfe abgestoßen – weil sie fest sind, bewegen sie sich aber im Gegensatz zu den Elektronen nicht. Dadurch kommt die Ladungsverschiebung zustande.

Aufgrund der Ladungsverschiebung bildet sich auch im Inneren des Leiters ein weiteres elektrisches Feld \(E_L\). Nach einer kurzen Zeit gleichen sich die beiden elektrischen Felder aus. Würdest Du Dich jetzt im Inneren des Leiters befinden, würdest Du keine Auswirkungen der elektrischen Felder messen können, obwohl Du beiden Feldern ausgesetzt bist. Das liegt daran, dass ihre Wirkungen gleich stark, aber entgegengesetzt sind.

Damit es zur Ladungsverschiebung und somit Influenz kommen kann, muss es eine Kraft geben, die auf die Ladungsträger wirkt. Diese Kraft heißt „Coulombkraft“, über die Du mehr in der entsprechenden Erklärung erfährst. Sie kann dabei so groß werden, dass sogar dünne, leichte Leiter bewegt werden können.

Elektrische Influenz Elektroskop

Ein Elektroskop wird zum Nachweis und der genäherten Messung elektrischer Ladungen verwendet. Die Influenz kann dabei genutzt werden, um extrem starke Ladungen nachzuweisen.

Der Aufbau eines Elektroskops besteht vereinfacht aus einem dünnen, drehbar gelagerten Metallzeiger am unteren Teil eines Metallstabs.

Bringst Du eine starke elektrische Ladung in die Nähe des oberen Endes des Metallstabs, kommt es zur Influenz. Die Elektronen in Metallstab und Metallzeiger verschieben sich entsprechend. Dadurch ist das untere Ende des Metallstabs und der Metallzeiger gleich geladen.

Gleiche Ladungen stoßen einander ab. Somit stoßen sich auch Stab und Zeiger ab. Je nachdem, wie weit der Zeiger dabei ausschlägt, kannst Du Rückschlüsse auf die Stärke der anfänglichen Ladung treffen.

Was aber, wenn Du keinen Leiter, sondern einen Nichtleiter verwendest?

Elektrische Influenz und Polarisation

Stelle Dir noch einmal das Anfangsbeispiel vor. Dieses Mal hast Du aber keinen Leiter, sondern eine wassergefüllte, verschlossene Röhre.

Wassermoleküle haben die besondere Eigenschaft, dass sie Dipole bilden. Das bedeutet, eine Seite des Wassermoleküls ist positiv, die andere negativ geladen. Die positiven und negativen Anteile sind aber fest aneinander gebunden und gleichen einander aus. Es gibt also keine freien Ladungsträger, wie vorher die Elektronen im Leiter.

Anfangs kannst Du Dir vorstellen, dass die Wassermoleküle ungerichtet sind. Jetzt bringst Du wieder eine starke negative Ladung in die Nähe der Röhre. Jetzt würde es zur Influenz kommen. Das Wasser besitzt in diesem Fall aber keine freien Ladungsträger, wodurch es nicht zur Ladungstrennung kommt. Ein anderes Phänomen tritt auf.

Aufgrund der elektrischen Anziehung bzw. Abstoßung richten sich die Wassermoleküle entsprechend der nahen Ladung aus. Die Moleküle zeigen somit etwa alle in die gleiche Richtung, aber bewegen sich nicht. Das nennst Du Polarisation.

Im Vergleich zum Normalfall der elektrischen Influenz, kommt es bei der Polarisation nicht zur Ladungstrennung oder Verschiebung, sondern lediglich zur Ausrichtung geladener Teilchen und Strukturen.

Besitzt der betrachtete Nichtleiter gewisse Eigenschaften und ist die elektrische Ladung stark genug, können dadurch Effekte wie die eines Magneten beobachtet werden (siehe Vertiefung).

Obwohl es Ähnlichkeiten zum Magnetismus gibt, handelt es sich dabei aber nicht um die sogenannte „magnetische Influenz“, sondern immer noch um elektrische Influenz. Was aber ist die magnetische Influenz?

Magnetische Influenz

Im vorherigen Beispiel bei der Polarisation hast Du Wasser – einen Stoff aus elektrischen Dipolen – dem Feld einer starken elektrischen Ladung ausgesetzt. So ähnlich kannst Du das nun auch mit einem magnetisierbaren Material – etwa der Kühlschranktür – und einem Magneten tun.

Im Material der Kühlschranktür befinden sich kleine Magnete, die Du durch kleine Pfeile darstellen kannst. Diese kleinen Magnetpole sind aber zu schwach, um einander zu beeinflussen. Sie sind also zunächst ungerichtet. Ähnlich wie es bei den Wassermolekülen in der Röhre der Fall war.

Jetzt hältst Du einen Magneten an die Kühlschranktür und wirst merken, dass er an der Tür halten kann.

In der Kühlschranktür – also im magnetisierbaren Material – kommt es zur magnetischen Influenz.

Die kleinen Magnete im Material der Tür richten sich entsprechend dem großen Magnet aus und bilden zusammen selbst einen Magneten. Aufgrund der magnetischen Wechselwirkung kann der Magnet an der Kühlschranktür hängen bleiben.

Dabei ist die Auswirkung der magnetischen – wie auch der elektrischen – Influenz meist nur so lang, wie auch der andere Magnet oder die elektrische Ladung in der Nähe ist.