Der tiefere Sinn des Labenz:
Der Physik hinter die Kulissen geschaut
...oder was die Welt im Innersten wirklich zusammenhält

Der Elektrische Strom

Strom ist sehr dünn. Deshalb braucht man für Strom keinen Schlauch; er geht durch einfachen Draht, so dünn ist er. Mit Holz kann man keinen Strom übertragen; wahrscheinlich saugt Holz ihn auf. Mit Kunststoff ist es genauso.

Wenn Strom nicht gebraucht wird, ist er nicht mehr dünn. Im Gegenteil, er ist dann sehr dickflüssig, damit er nicht aus der Steckdose läuft, sonst müßte ja immer ein Stopfen auf der Steckdose sein.

Woher Strom weiß, daß er gebraucht wird und dünn werden muß, ist noch unklar; wahrscheinlich sieht er, wenn jemand mit einem Elektrogerät in den Raum kommt.

Strom ist nicht nur sehr dünn, sondern auch unsichtbar. Daher sieht man nicht, ob in einem Draht Strom ist oder nicht; dann muß man ihn anfassen. Wenn Strom drin ist, tut es weh; das nennt man Stromschlag. Manchmal merkt man auch nichts; entweder, weil kein Strom drin ist oder weil man plötzlich tot ist: Das nennt man dann Exitus.

Strom ist vielseitig, man kann damit kochen, bohren, heizen und vieles mehr...

Wenn man einen Draht mit Strom an einen anderen Draht mit Strom hält, funkt und knallt es; das nennt man einen Kurzschluß. Aber dafür gibt es Sicherungen, die kann man dann wieder eindrehen.

Außer dem Strom im Kabel gibt es noch Strom zum Mitnehmen; der ist in einer kleinen Schachtel verpackt. Der Elektrofachmann nennt so etwas Batterie. Der Strom in einer Schachtel kann natürlich nicht sehen, ob er gebraucht wird oder nicht; deshalb läuft er manchmal einfach so ohne Grund aus und frißt alles kaputt.

Es gibt mehrere Arten von Strom:

  1. Starkstrom: Heißt so, weil es unheimlich stark ist, was man mit ihm machen kann.
  2. Wechselstrom: Heißt so, weil seine Verwendung häufig wechselt.
  3. Gleichstrom: Hat seinen Namen, weil es ihm völlig gleich ist, was man mit ihm macht.

Elektrizität

Die Frage, die die heutige Wissenschaft beschäftigt, ist: Was zum Kuckuck ist Elektrizität? Und wohin geht sie, nachdem sie den Toaster verlassen hat?

Hier ist ein einfaches Experiment, mit dem wir eine wichtige Lektion über Elektrizität lernen können: An einem kühlen, trockenen Tag schlurfen wir mit den Füßen über einen Teppich, greifen dann mit der Hand in den Mund eines Freundes und berühren eine seiner Zahnplomben. Unser Freund zuckt heftig zusammen und schreit vor Schmerz auf. Wir lernen daraus, daß Elektrizität eine sehr mächtige Kraft sein kann, die wir niemals dafür verwenden dürfen, unseren Mitmenschen Schmerzen zuzufügen, außer wenn wir eine wichtige Lektion über Elektrizität lernen müssen.

Wir erfahren dabei auch, wie ein elektrischer Stromkreis funktioniert. Als wir über den Teppich geschlurft sind, haben wir dabei etliche Elektronen aufgesammelt, äußerst kleine Teilchen, die von den Teppichherstellern in die Teppiche eingewoben werden, um Schmutz anzuziehen. Die Elektronen fließen durch den Blutkreislauf und sammeln sich im Finger an, von wo ein Funke zur Zahnfüllung unseres Freundes überspringt. Von dort aus fließen die Elektronen durch seine Füße hinunter und zurück in den Teppich, womit der Stromkreis wieder geschlossen ist.

Heutzutage sind elektrisches Licht, Radios, Mixer etc. für uns bereits selbstverständlich geworden. Vor hundert Jahren waren solche Dinge noch völlig unbekannt, was aber nicht weiter schlimm war, da sie nirgendwo eingesteckt werden konnten. Dann kam der erste Pionier auf dem Gebiet der Elektrizität, Benjamin Franklin, der während eines Gewittersturms einen Drachen steigen ließ und dabei einen schweren elektrischen Schlag bekam. Dies beweist, daß Blitze von derselben Kraft angetrieben werden wie Teppiche. Leider wurde Franklins Gehirn dabei so stark in Mitleidenschaft gezogen, daß er nur noch völlig unverständliche Sprüche von sich gab, wie zum Beispiel "Einen Pfennig gespart heißt einen Pfennig verdient". Schließlich wurde er dann als Leiter des Postamtes eingestellt.

Nach Franklin kam eine Reihe von Entdeckern und Erfindern, deren Namen in die heutige Terminologie der Elektrotechnik Eingang gefunden haben: Myron Volt, Marie-Louise Ampere, James Watt, Robert Transformator usw. Alle von ihnen machten wichtige elektrische Experimente. So entdeckte zum Beispiel Luigi Galvani (kein Scherz) im Jahre 1780, daß, sobald er das Bein eines Frosches mit zwei verschiedenen Metallen in Verbindung brachte, ein elektrischer Strom floß und das Bein des Frosches zuckte, selbst wenn es bereits vom jeweiligen Frosch getrennt war, der ja sowieso schon tot war. Galvanis Entdeckung führte zu gewaltigen Fortschritten auf dem Gebiet der Amphibienchirurgie. Heutzutage können fähige Veterinärchirurgen Metallteile in die Muskeln eines schwerverletzten oder gar getöteten Frosches implantieren und zusehen, wie er zurück in den Teich hüpft. Ganz wie ein normaler Frosch, wenn man davon absieht, daß er wie ein Stein zu Boden sinkt.

Der größte Pionier im Bereich der Elektrizität jedoch war Thomas Alva Edison, ein brillanter Erfinder trotz der Tatsache, daß seine Schulbildung sehr gering war und er in New Jersey lebte. Edisons erste Erfindung war der Phonograph, der bald in Tausenden amerikanischer Haushalte zu finden war, wo er im Prinzip bis 1923 blieb, bis die Schallplatte erfunden wurde. Edisons Meisterstück jedoch war die Erfindung des Elektrizitätswerkes im Jahre 1879. Edisons großartige Idee war die Übertragung des Prinzips des einfachen elektrischen Stromkreises: Das Elektrizitätswerk sendet Elektrizität über einen Draht zum Kunden und bekommt sie ohne Verzögerung durch einen anderen Draht wieder zurück, um sie anschließend (und das ist der geniale Teil daran) gleich wieder zum Kunden zu schicken.

Das heißt, daß ein Elektrizitätswerk dem Kunden dieselbe Elektrizität einige tausend Mal pro Tag verkaufen kann, ohne dabei erwischt zu werden, da sich die wenigsten seiner Kunden die Zeit nehmen, ihre Elektrizität genau anzusehen. Tatsächlich wurde zum letzten Mal in den USA im Jahre 1937 neue Elektrizität erzeugt. Seitdem haben die Elektrizitätswerke dieselbe Elektrizität immer und immer wieder verkauft. Dies ist auch der Grund dafür, warum sie soviel Zeit haben, sich mit Tariferhöhungen zu beschäftigen.

Dank Pionieren wie Edison oder Franklin und Fröschen, wie dem von Galvani bietet uns heutzutage die Elektrizität fast unbegrenzte Möglichkeiten. So haben zum Beispiel in den letzten zehn Jahren Wissenschaftler den Laser entwickelt, ein elektrisches Gerät, das einen Lichtstrahl aussendet, der solche Energie besitzt, daß er noch in einer Entfernung von 2000 Metern eine Planierraupe atomisieren kann, und andererseits so exakt ist, daß Chirurgen damit hochpräzise Arbeiten am menschlichen Auge vornehmen können. Vorausgesetzt, sie vergessen nicht, den Regler von Planierraupe atomisieren auf Mikrochirurgie umzustellen.

Aufgaben zur praktischen Physik

Konstante: mKuh=400 kg

Mechanik

Elektrizitätslehre

  1. Die Kuh beiße in den elektrisch geladenen Weidezaun (U = 40V). Ein Strommeßgerät registriert durch die Kuh einen Strom von 0.5 mA. Wie hoch ist der OHMsche Widerstand des Tieres?

  2. Dieselbe Kuh werde nun mit einer Spule (L = 0.5 H) in Reihe geschaltet und an eine Wechselspannung von 50 Hz gelegt. Berechnen Sie den Scheinwiderstand Z dieses RL-Gliedes und die Phasenverschiebung j zwischen Strom und Spannung, wobei der Widerstand der Spule vernachlässigbar ist.

Quantenmechanik:

  1. Die Kuh befinde sich auf einer Weide, die ringsum durch einen Zaun abgegrenzt ist. Der Weidezaun sei ideal gebaut, so daß die Kuh ihn (klassisch gesehen) nicht passieren kann. Begründen Sie, daß man die Kuh trotzdem mit gewisser Wahrscheinlichkeit außerhalb der Weide antrifft!

  2. Unter Verletzung der Energiehaltung können nach der HEISENBERGschen Unschärferelation kurzfristig sogenannte virtuelle Teilchen entstehen. Berechnen Sie die Lebensdauer einer virtuellen Kuh.

  3. "SCHRÖDINGERs Kuh": Ein Mensch sperrt eine Kuh in einen Atombunker, aus dem keine Information nach außen dringt. Für den Beobachter ist die Kuh dann quantentheoretisch sowohl tot als auch lebendig (nicht "entweder, oder"!). Erklären Sie den scheinbaren Widerspruch!

  4. Berechnen Sie die DE-BROGLIE-Wellenlänge einer Kuh, die mit v = 10 m/s auf der Weide galoppiert. Bis zur welchen Größenordnungen könnte man mit dieser Welle in der Mikroskopie Strukturen auflösen?
    Wieso benutzt man in der Strukturforschung keine Kühe?

Kernphysik

The Physicists' Bill of Rights

We hold these postulates to be intuitively obvious,
that all physicists are born equal, to a first approximation, and are endowed by their creator with certain discrete privileges, among them a mean rest life, n degrees of freedom, and the following rights which are invariant under all linear transformations:

  1. To approximate all problems to ideal cases.
  2. To use order of magnitude calculations whenever deemed necessary (i. e. whenever one can get away with it).
  3. To use the rigorous method of "squinting" for solving problems more complex than the addition of positive real integers.
  4. To dismiss all functions which diverge as "nasty" and "unphysical".
  5. To invoke the uncertainty principle when confronted by confused mathematicians, chemists, engineers, psychologists, dramatists und anderen Schweinehunden.
  6. When pressed by non-physicists for an explanation of (4) to mumble in a sneering tone of voice something about physically naive mathematicians.
  7. To equate two sides of an equation which are dimensionally inconsistent, with a suitable comment to the effect of, "Well, we are interested in the order of magnitude anyway."
  8. To the extensive use of "bastard notations" where conventional mathematics will not work.
  9. To invent fictitious forces to delude the general public.
  10. To justify shaky reasoning on the basis that it gives the right answer.
  11. To cleverly choose convenient initial conditions, using the principle of general triviality.
  12. To use plausible arguments in place of proofs, and thenceforth refer to these arguments as proofs.
  13. To take on faith any principle which seems right but cannot be proved.

Wissenschaftliche Produktwarnhinweise

Die rasante Entwicklung der Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten hat uns gewaltige technische Fortschritte gebracht. Die neuen Produkte geben uns nicht nur mehr Annehmlichkeiten und Komfort, sondern können auch bisher nicht gekannte Risiken mit sich bringen.

Aus diesem Grunde hat die EU-Kommission eine Gruppe von hochrangigen Wissenschaftlern beauftragt, mit Hilfe der neuesten Erkenntnisse die Gefahren und Risiken zu identifizieren, die dank der Wissenschaft nunmehr erkennbar geworden sind.

Mit Hilfe des Abschlußberichtes wurden dann in einem eigens dazu eingerichteten Ausschuß aus Gewerkschaftern, Konsumentenschützern und Verwaltungsbeamten Warnhinweise entwickelt, die ab 1.4.1997 auf jedem in der EU in Verkehr gebrachten Produkt angebracht werden müssen. Hier eine (unvollständige) Liste:

  • ACHTUNG: Dieses Produkt krümmt Raum und Zeit in seiner Umgebung!

  • WARNHINWEIS: Dieses Produkt zieht die gesamte Materie des Universums mit einer Kraft an, die dem Produkt der Massen proportional ist und mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt!

  • VORSICHT: Die Masse dieses Produkts enthält das Energieäquivalent von 30 Millionen Tonnen TNT pro Gramm!

  • MIT VORSICHT BEHANDELN: In diesem Produkt bewegen sich kleinste elektrisch geladene Teilchen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 800 Millionen km/h!

  • HINWEIS: Auf Grund der Unschärferelation ist es nicht möglich, gleichzeitig festzustellen, wo sich das Fahrzeug befindet und wie schnell es sich bewegt.

  • HINWEIS: Es besteht die Möglichkeit, daß dieses Produkt durch einen Prozeß, der als "Tunneln" bekannt ist, von seinem Platz verschwindet und an einer anderen Stelle des Universums wieder auftaucht. Der Hersteller ist für daraus entstehende Schäden nicht haftbar.

  • BITTE VOR DEM ÖFFNEN LESEN: Einer Version der großen vereinheitlichten Theorie zufolge können die Elementarteilchen, aus denen dieses Produkt besteht, in den nächsten 4,5 Millionen Jahren zu Strahlung zerfallen.

  • WARNUNG: Dieses Produkt besteht zu 100% aus Materie. Im Falle des Kontaktes mit Antimaterie kommt es zu gefährlichen Explosionen!

  • WARNUNG DES INNENMINISTERS: Jeder Gebrauch dieses Produktes erhöht die Unordnung im Universum (Entropiegesetz). Dieser Prozeß führt mit Sicherheit zum Wärmetod des Universums.

  • HINWEIS ZUR GEWÄHRLEISTUNG: Die fundamentalen Elementarteilchen, aus denen dieses Produkt besteht, werden durch eine Kraft zusammengehalten, deren genaue Natur nicht bekannt ist. Ihre zukünftige Funktion kann daher nicht garantiert werden.

  • ACHTUNG: Unabhängig von anderen Deklarationen der Inhaltsstoffe weisen wir darauf hin, daß dieses Produkt zu 99,99999999% aus leerem Raum besteht.

  • BITTE BEACHTEN: Auf Grund quantenmechanischer Effekte kann es sein, daß dieses Produkt entweder aufhört zu existieren oder in einen unbestimmten Zustand übergeht, wenn es nicht beobachtet wird. Der Gebrauchswert ist davon jedoch nicht betroffen.

  • WARNUNG DES GESUNDHEITSMINSTERS: Vorsicht beim Heben und Tragen dieses Produktes! Seine Masse und somit sein Gewicht sind von der Geschwindigkeit relativ zum Anwender abhängig!

  • WICHTIGE INFORMATION FÜR DEN KÄUFER: Das gesamte Universum, einschließlich dieses Produktes, kann eines Tages zu einem unendlich kleinen Punkt kollabieren. Sollte daraus wiederum ein neues Universum entstehen, kann die Existenz dieses Produktes darin nicht garantiert werden.

    • nach der deutschen Adaption des
    amerikanischen Originals von Susan Hewitt
    und Edward Subitzky durch Fritz Jörn. Die
    deutsche Version © 1991 Fritz Jörn und FAZ.

    Wie kann man mit einem Barometer die Höhe eines Hauses bestimmen?

  • Man kann das Barometer vom Dach des Hauses fallen lassen, die Zeit bis zum Aufprall messen und so die Höhe bestimmen.

  • Man kann das Barometer quasi als Meßlatte benutzen, d.h. man bewegt sich im Treppenhaus nach oben, wobei man immer das Barometer um seine eigene Länge nach oben verschiebt. Auf diese Art und Weise erhält man die Höhe des Hauses in der Einheit Barometer.

  • Man kann aber auch einfach zum Hausverwalter gehen, ihm sagen: "Sehen sie mal, hier habe ich ein wunderschönes Barometer. Wenn Sie mir sagen, wie hoch dieses Haus ist, gehört es Ihnen."

  • Man bestimmt gleichzeitig die Schattenlänge des Barometers und die des Hauses. Über die Strahlensätze kann man dann die Höhe des Hauses ausrechnen.

  • Man bastelt sich aus dem Barometer und einem Faden ein Pendel. Durch den Vergleich von Schwingungsdauer am Fußes des Hauses und auf dem Dach kann man die Differenz der jeweiligen Schwerkräfte ausrechnen. Daraus folgt dann die Höhe des Hauses.

  • Barometer vom Dach des Hauses in einen Eimer mit Wasser werfen. Aus der daraus resultierenden Temperaturerhöhung kann man dann über kinetische Energie die Fallhöhe ausrechnen.

  • Man läßt das Barometer vom Dach des Hauses fallen und bestimmt die kinetische Energie aus der Verformung des Barometers.

  • Man läßt das Barometer senkrecht aus einer bekannten Höhe fallen und vergleicht die Steighöhe, die durch den elastischen Aufprall zustande kommt, mit der beim Fall vom Dach des Hauses.

  • Luftdruck oben und unten messen und nach barometrischer Höhenformel Höhe bestimmen.

  • Man benutze das Barometer als Briefbeschwerer, während man die Baupläne durchsieht.

  • Man verkaufe das Barometer und besorge sich eine brauchbare Ausrüstung.

    • Die Erschaffung der Welt

    Am Anfang, da war Aristoteles,
    und ruhende Objekte neigten dazu, weiter zu ruhen,
    und bewegte Objekte neigten dazu, zur Ruhe zu kommen,
    und bald kamen alle Objekte zur Ruhe,
    und Gott sah, dass dies langweilig war.

    Dann erschuf Gott Newton,
    und ruhende Objekte neigten dazu, weiter zu ruhen,
    aber bewegte Objekte neigten dazu, in Bewegung zu bleiben,
    und Energie wurde erhalten,
    und Bewegung wurde erhalten,
    und Materie wurde erhalten,
    und Gott sah, dass dies konservativ war.

    Dann erschuf Gott Einstein,
    und alles wurde relativ,
    und schnelle Objekte wurden kurz,
    und gerade Objekte wurden gekrümmt,
    und das Universum war voller Trägheitsmomente,
    und Gott sah, dass dies relativ allgemein,
    einiges aber speziell relativ war.

    Dann erschuf Gott Bohr,
    und da war das Prinzip,
    und das Prinzip war das Quant,
    und alle Objekte wurden quantifiziert,
    aber einige Objekte waren noch immer relativ,
    und Gott sah, dass dies verwirrend war.

    Dann wollte Gott Furgesson erschaffen,
    und Furgesson hätte vereinheitlicht,
    und er hätte eine Theorie ins Feld geführt
    und alles wäre eins geworden,
    aber es war der siebte Tag und Gott ruhte,
    und ruhende Objekte neigen dazu, weiter zu ruhen.

    Subject: How Hot is Hell?

    A physics professor had written a take-home exam for his graduate students. It had one question: "Is hell exothermic or endothermic? Support your answer with a proof."

    Most of the students wrote simple proofs using Boyle's Law or some variant. One student, however, wrote the following:

    “First, we postulate that if souls exist, then they must have some mass.

    If so, then a mole of souls also can have mass. So, at what rate are souls moving into hell and at what rate are souls leaving? I think that we may safely assume that once a soul gets to hell, it will not leave. Therefore, no souls are leaving. As for souls entering hell, let's look at the different religions that exist in the world today. Some of these religions state that if you are not a member, you will go to hell. Since there are more than one of these religions and people generally do not belong to more than one religion, we can project that all people and all souls go to hell.

    With birth and death rates as they are, we can thus expect the number of souls in hell to increase exponentially. Now, we look at the rate of change in volume in hell. Boyle's Law states that in order for the temperature and pressure in hell to stay the same, the ratio of the mass of souls and volume needs to stay constant.

    1. So, if hell is expanding at a slower rate than the rate at which souls enter hell, then the temperature and pressure in hell will increase until all hell breaks loose.
    2. Conversely, if hell is expanding at a rate faster than the increase of souls in hell, then the temperature and pressure will drop until hell freezes over.
    So which is it? If we accept the postulate given to me by Therese Banyan during freshman year, that "It will be a cold day in hell before I sleep with you," and taking into account the fact that I still have not succeeded in having sexual relations with her, then #2 cannot be true, and hell is exothermic."

    This student got the only A.

    A Party of Famous Physicists

    One day, all of the world's famous physicists decided to get together for a tea luncheon. Fortunately, the doorman was a grad student, and able to observe some of the guests...

    Scientific Vocabulary

    "It is known for a long time ..."
    I did not make the effort, looking for the original.
    "Though, it has not been possible, to give final answers to these questions ..."
    I did not find out anything in the experiments, but I thought, I could squeeze out another publication.
    "High purity ...", "Very high purity ...", "Extreme high purity ...", "Overpure ..."
    The composition is unknown to me, not to talk of the vendor´s exaggerating claims.
    "... accidentally deformed while groth."
    ... dropped on the floor.
    "... handled with extreme care in all the experiments."
    ... not dropped on the floor.
    "Surely, further work has to be done before a complete understanding ..."
    I don´t understand it.
    "Unfortunately, a qualitative theory, explaining these effects, has not been found yet."
    ... nor does anybody else!
    "We hope, our work will be stimulatin in thie area of science."
    Our work is pretty bad, but so are all papers about this lousy subject.
    "The accordance with the calculated curve is excellent."
    acceptable
    "... good."
    small.
    "... satisfying."
    doubtful.
    "... acceptable."
    vain.
    "As well, as you can expect, taking into account the simplifications used during the analysis."
    Does not exist.
    "... of immense theoretical and practical interest."
    ... does interest me.
    "Three samples have been chosen for are more detailed investigation."
    1. The results from all others did not make any sense and are embezzled. 2. I had to do dn much measurements to find three samples, that are halfway useful.
    "We will talk about these results later on."
    1. Possibly, I will refer to it. 2. If there really is something with this matter - what I do not dare to say now - I´ll have a look at it, otherwise it never did exist for me.
    "We show the typical results."
    Only the best results are shown.
    "Though, through reproduction (conversion, etc.) some detail has been lost, on the original photograph (data-set, etc.) it is clearly visible ..."
    It is impossible to see anything on this photograph (data, etc.).
    "It has been proposed ..."
    "One could think ..."
    "It could be ..."
    I think ...
    "The most reliable data are from Jones."
    He is my follower.
    "Commonly, it is thought, that ..."
    Some other lads think so, too.
    "One may object, that ..."
    I have a so good answer to this objection, that I´m telling you now.
    "... correct to the order of magnitude."
    Wrong.
    "... well known."
    1. Accidentally, I know it. 2. Known to some of us.
    "Obviously", "Naturally"
    1. I am not the first thinking of this. 2. I am to lazy to care of an explanation. 3. I don´t know why, but it is so.
    "objectively."
    In my opinion.
    "subjectively."
    In the opinion of the others.
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    "No, no, no! It is an empirical law of physics that the heat flux at any point is proportional to the temperature gradient at that point." - Claudia Schiffer, over breakfast.
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    © 1997-2000 Robert Wagner, 08/01/97, 08/14/98, 08/15/00