Felder als physikalische Gebilde

Die Physik erklärt die Geheimnisse der Natur nicht,
sie führt sie auf tieferliegende Geheimnisse zurück.
Carl Friedrich von Weizsäcker.

Der Begriff des "Feldes" wirkt für viele unanschaulich und übermäßig abstrakt. Ein Grund dafür ist, dass der Begriff für mindestens zwei Dinge benutzt wird, die sich aber teilweise überdecken, so dass es leicht zur Verwirrung kommt:

Eine Verteilung einer physikalischen Größe im Raum wird als Feld bezeichnet. Ein Beispiel ist das sog. "Temperaturfeld". Hierbei handelt es sich nur um ein gedankliches Modell. Ein Temperaturfeld ist kein physikalisches Etwas. Insbesondere gehen von diesem nur in der Vorstellung vorhandenen Feld keine Wirkungen aus.
Felder als wirkliche physikalische Gebilde, wie das Gravitationsfeld. In solchen Feldern sind auch physikalische Größen im Raum verteilt, z.B. die Schwerebeschleunigung. Darüber hinaus ist ein Gravitationsfeld aber tatsächlich vorhanden und übt Wirkungen aus, also Kräfte.

Ich möchte hier einige Gedanken zum Wesen der Felder im eigentlichen Sinn zusammentragen. Wenn ich ab hier von "Feld" rede, dann meine ich stets physikalische Gebilde. Hiervon kennen wir drei Typen:

Das Gravitationsfeld
Das elektrische Feld
Das Magnetfeld

Das elektrische und das magnetische Feld stehen in starker Wechselwirkung und wandeln sich ineinander um, wenn sich die Feldgrößen zeitlich ändern. Deshalb werden sie oft als elektromagnetisches Feld zusammengefasst. Für unsere Betrachtung hier möchte ich sie aber getrennt stehen lassen.

Wie kommt man nun zu der Auffassung, dass es sich bei diesen Gebilde um eigenständige physikalische System handelt? Und dabei einem materiellen System wir einem starren Körper oder einem Gas in gewisser Weise gleichgesetzt wird?

Zunächst gibt es in diesen Feldern eine Feldstärke. Diesen Begriff auf ein Temperaturfeld anzuwenden ist sinnlos. Die Feldstärke beschreibt die Kraft, welche das Feld auf einen Probekörper ausübt. Für das Gravitationsfeld kann das eine kleine Probemasse sein, die einer Anziehungskraft unterliegt. Damit ein Feld Kräfte ausüben kann, muss es auch Energie tragen. Energie ist über die Einstein'sche Formel der Masse äquivalent. Insofern ist ein Feld in diesem Sinne real, und keine bloße Vorstellung.

Feld-Ursache und Feldstärke

Die uns bekannten Felder können nicht isoliert existieren, sie benötigen eine Ursache:

Gravitationsfelder entstehen durch Massen
Elektrische Felder entstehen durch elektrische Ladungen
Magnetfelder entstehen durch Dauermagnete oder stromduchflossene Leiter

Die Feldstärke beschreibt die Kraft, welche auf einen Probekörper ausgeübt wird. Solch ein Probekörper muss auch ein kleines Feld erzeugen, im Grund ist die Kraft die Wechselwirkung zweier Felder, aber ich möchte hier nicht zu spitzfindig werden. Auf jeden Fall muss die Wirkung des Probekörpers auf das zu untersuchende Feld sehr klein sein, es darf sich dadurch nicht merklich verändern.

Gravitationsfeld, elektrostatisches Feld und Magnetfeld mit Probekörpern

Die Felder haben Gemeinsamkeiten:

Die Feldstärke verringert sich quadratisch mit dem Abstand zur Ursache.
Probekörper von derselben Art wie die Feldursache, sie sind also selbst Ursache eines kleinen Feldes.
Verschiedene Ursachen überlagern sich, die Feldstärken werden addiert
Felder verschiedener Ursachen durchdringen sich, ohne sich zu stören
Körper werden von Feldern durchdrungen.
die Felder sind konservativ, d.h. die im Feld verrichtetet Arbeit (Kraft mal Weg) ist wegunabhängig.

Bei allen Ähnlichkeiten gibt Besonderheiten:

Gravitationsfelder wirken nur anziehend, während die anderen beiden Feldtypen auch Abstoßungskräfte bewirken können
Für Magnetfelder existieren keine richtigen Probekörper. Ein solcher wäre ein magnetischer Monopol. Die uns bekannten physikalischen Gesetze verbieten diesen zwar nicht, aber es wurde bislang keiner entdeckt. Ich habe hier kleine Stabmagnete als Probekörper benutzt.
Magnetfelder können durch Dauermagneten erzeugt werden (diese haben eine magnetische Polstärke) oder mittels stromduchflossener Leiter (diese haben einen magnetischen Fluß. Die Einheiten von Polstärke und Fluß sind identisch (V • s), die physikalische Bedutung jedoch nicht.
Obwohl alle Felder Körper durchdrungen können, lassen sich elektrische und magnetische Felder abschirmen. Gravitationsfelder lassen sich nicht abschirmen.

Feldlinien

In Bildern sieht man immer wieder einmal Feldlinien. Dies sind die Bahnen, auf denen sich Probekörper bewegen würden, wenn man sie in das Feld einsetzt. Andere Felder dürfennatürlich nicht mit hineinmischen, so dürfen Probeladungen nicht zusätzlich noch der Gravitation unterliegen.

Um Magnetfeldlinien zu erforschen, haben wir ja keine kleinen magnetischen Monopole. Die Stabmagnete eignen sich nicht gut für den experimentelle Ermittlung von Feldlinien. Wir können aber ersatzweise sehr dünne Fäden aus magnetischem Gummi nehmen (so etwas gibt es), und den nicht benötigten Gegenpol weit von der Untersuchungsstelle entfernt anbringen. Die Elastizität des Gummifadens muss so gering sein, dass sie gegenüber der Feldkraft vernachlässigt werden kann.

Feldlinien zweier geladener Kugeln. Die unterschiedliche geladenen Probeladungen bewegen sich auf derselben Feldlinie, aber in unterschiedliche Richtungen.

(Uwe Pilz, Januar 2019)