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Bewegte Ladung

Physik

Basiswissen


Es ist verwunderlich: eine elektrische Ladung, die relativ zu einem Beobachter ruht, hat nur ein elektrostatisches Feld um sich herum, aber kein Magnetfeld. Ab dem Moment aber, wenn sich die Ladung im Bezug zu einem Beobachter bewegt, existiert für diesen Beobachter auch ein Magnetfeld um die Ladung. Die enge Verbindung von Bewegung und Magnetismus ist der Schlüssel zum Verständnis vieler Effekte.

Vier Fälle in der Übersicht



Fall 1: Ladungen umgeben sich immer mit einem E-Feld


Eine elektrische Ladung erzeugt immer ein elektrisches Feld[2]. Es ist unmöglich, das zu verhindern. Dabei ist es wiederum unwichtig, ob die Ladung ruht oder ob sie sich bewegt. Das elektrische Feld breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus, wird aber dabei mit zunehmender Entfernung von der erzeugenden Ladung auch immer schwächer. Siehe mehr dazu unter elektrisches Feld ↗

Fall 2: Ladungen in einem E-Feld erfahren immer eine Kraft


Befindet sich eine elektrische Ladung, oft abgekürzt als q, in einem elektrischen Feld, so wirkt das elektrische Feld immer mit einer Kraft auf diese Ladung. Diese Kraft nennt man die Coulombkraft[1]. Ob sich die Ladung dabei bewegt oder ruht ist für die Stärke dieser der Coulombkraft nicht wichtig. Die Stärke der Kraft kann man zum Beispiel in Newton angeben. Da die Bewegung keine Rolle spielt, nennt man die Physik rund um elektrische Ladungen, bei denen die Bewegung keine Rolle spielt, auch Elektrostatik. Die grundlegende Kraft ist die Coulombkraft ↗

Fall 3: Nur bewegte Ladungen spüren ein B-Feld


Eine elektrische Ladung, die relativ zu einem Magnetfeld, kurz auch B-Feld genannt, ruht, sich also aus Sicht des Magnetfeldes in diesem nicht bewegt, spürt keine magnetische Kraft. Bewegt sich die Ladung aber relativ zu dem Magnetfeld, kann sie eine magnetische Kraft erfahren[3]. Der Effekt hängt letztendlich mit Einsteins Relativitätstheorie zusammen. Ob die elektrische Ladung eine Kraft erfährt, und wie stark diese ist, hängt noch ab von dem Winkel, den die Bewegung zur Richtung der Magnetfeldlinien bildet und wie schnell diese Bewegung ist. Diese Kraft nennt man die Lorentzkraft ↗

Fall 4: Nur bewegte Ladungen erzeugen ein B-Feld


Es gilt auch der Umkehrschluss: bewegte Ladungen erzeugen immer ein Magnetfeld[4], ruhende Ladungen nie. Da bewegt oder ruhende immer nur relativ zu einem Beobachter gilt, ergibt sich daraus eine zunächst paradox erscheinende Folgerung: fliegt eine elektrische Ladung, etwa ein Proton, gerade durch den leeren Weltraum und fliegt man selbst als Beobachter in entgegengesetzer Richtung zu dem Proton, dann wird man ein Magnetfeld um das Proton messen können. Hat man aber dieselbe Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit wie das Proton, dann wird man kein Magnetfeld messen können. Ob das Proton also ein Magnetfeld „hat“ (oder nicht), hängt von der eigenen Bewegung relativ zum Proton ab.[6] Der Grund dafür ist, dass der Magnetismus letztendlich nur ein Effekt der Relativitätstheorie ist und sich eigentlich aus elektrostatischen Kräften ableitet. Wie das erzeugte B-Feld aussieht und wie stark es an welcher Stelle ist behandelt das sogenannte Biot-Savart-Gesetz ↗

Was heißt Ladung in der Physik?


Ladung meint hier eine elektrische Ladung. Eine elektrische Ladung ist entweder positiv (+) oder negativ (-). Beispiele für elektrische Ladungen sind das Elektron (-), das Proton (+), oder ein Ion (+ oder -). Was eine elektrische Ladung ist, ist näher erklärt im Artikel elektrische Ladung ↗

Was heißt bewegt für eine Ladung?


Bewegung kann heißen, dass sich etwas entlang einer Bahn bewegt und damit ständig seinen Aufenthalsort verändern. Bewegung kann aber auch heißen, dass sich etwas um sich selbst dreht, ohne dabei den Aufenthaltsort zu verändern. In beiden Fällen erzeugt die Bewegung ein Magnetfeld, im zweiten Fall der Drehbewegung spricht man auch von Spin[5]. Wichtig ist hier noch, dass Bewegung immer nur relativ zum Beobachter definiert werden kann. Man stelle sich einen fahrenden Zug auf einer geraden Strecke vor. In einem Waggon sei an einer festen Stelle ein Proton. Relativ zum Waggon ist das Proton nicht bewegt. Relativ zu den Schienen ist das Proton bewegt. Für einen Beobachter im Waggon hat das Proton kein Magnetfeld, für einen Beobachter an einem Bahnhof sehr wohl. Für die hier behandelten Effekte wichtig ist alleine die sogenannte Relativgeschwindigkeit ↗

Klassische Versuche zu Ladungen in Feldern






Elektrostatik und Elektrodynamik


Effekte und Prinzipien von elektrischen Ladungen, die auch ohne Bewegung zustande kommen, fasst man zusammen zur sogenannten Elektrostatik. Effekte und Prinzipien hingegen, die als notwendige Voraussetzung Bewegung erfordern, fasst man zusammen zur Elektrodynamik.


Fußnoten