Kugelschale

Kugelschale, rechts: aufgeschnitten

Eine Kugelschale (auch Hohlkugel genannt) ist die Differenzmenge zweier konzentrischer Kugeln mit unterschiedlichem Radius.

Die ebenen Schnitte einer Kugelschale sind Kreisscheiben oder Kreisringe.

Volumen und Oberfläche

Sind r<R die Radien der beiden Kugeln, so ist das Volumen der Kugelschale

$V={\frac {4}{3}}\pi (R^{3}-r^{3})$

und die Oberfläche

$O=4\pi (R^{2}+r^{2})$ .

Schalenmodelle von Himmelskörpern

In den Naturwissenschaften dienen Kugelschalen oft zur Modellierung von inhomogenen Körpern, wenn sie annähernde Kugelgestalt besitzen.

Bei Himmelskörpern - die ab etwa 500 km Größe kugelähnlich sind - werden diese Kugelschalen so angesetzt, dass sie eine konstante Dichte besitzen (mittlere Gesteins- bzw. Gasdichte). Damit ein solcher Himmelskörper im hydrostatischen Gleichgewicht ist, müssen seine (kugelähnlichen) Schichtflächen gleichzeitig Niveauflächen sein.

Einige Beispiele dafür sind:

Erdinneres: Erdkruste, oberer/unterer Erdmantel, Erdkern
Erdatmosphäre: Peplo- und Troposphäre, Strato- und Mesosphäre, Ionosphäre
Terrestrische Planeten: dicke Lithosphäre, sonst erdähnlicher Aufbau
Gasplaneten: dichte Atmosphäre, flüssige Gashülle, metallischer Wasserstoff, Eisenkern
Sonne und Fixsterne: Sonnenkorona, Chromosphäre, Photosphäre, Konvektionsschicht, Zone der Kernfusion.

In den Berechnungsmodellen müssen die Kugelschalen noch weitere Bedingungen erfüllen, die vor allem den Druck und den Wärmetransport betreffen. So muss bei einem Stern in stabilem Zustand die Gravitation überall dem Strahlungs- und Gasdruck das Gleichgewicht halten, und die nach außen dringende Energie muss in den äußeren Kugelschalen immer dieselbe sein. Andernfalls gäbe es einen Wärmestau und der Stern würde instabil werden (siehe Supernova).

Anwendungen in der Elektrotechnik

Auch bei der Berechnung von Ladungen und Strömen sind die besonderen Eigenschaften von Kugelschalen bedeutsam. So kann man nachweisen, dass sich elektrische Ladungen auf einer leitenden Kugeloberfläche gleichmäßig verteilen. Dies war im 18. Jahrhundert die Voraussetzung, das Coulombsche Gesetz ableiten zu können.

Auch der Effekt des Faradayschen Käfigs lässt sich durch ein Kugelschalen-Modell beweisen, und die Ladungs- und Stromstärke in einem elektrischen Leiter auf analoge Weise.

Weitere Beispiele

Weitere Beispiele von Kugelschalen bzw. Hohlkugeln sind

Geode (Geowissenschaften), ein rundlicher, durch eine einheitliche Gesteinsaußenschicht begrenzter Hohlraum, mit und ohne mineralische bzw. fossile Füllung
Druse (Mineralogie), ein teilweise mit Kristallen gefüllter, rundlicher Hohlraum
Blastula, eine von einer einzigen Zellschicht gebildete Hohlkugel
Fullerene, Hohlkugeln, die aus einem Netz von Kohlenstoffatomen bestehen
Baoding-Kugeln, Hohlkugeln mit eingebauten Klangelementen
Ball, Seifenblase
eine Kanonenkugel mit Sprengladung

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de