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Das Banner der Rhetos-Website: zwei griechische Denker betrachten ein physikalisches Universum um sie herum.

Elektromagnetismus

Ursache

Einführung


Bis etwa zum Jahr 1820 waren Magnetismus und Elektrizität zwei völlig voneinander getrennte gesehene Phänomene. Dann erkannte man, dass elektrische Ströme immer Magnetfelder erzeugen und sich ändernde Magnetfelder immer elektrische Spannungen. Die Brücke zwischen den beiden Phänomen sind Bewegung und Veränderung, daher auch die Bezeichnung Elektrodynamik[6] für den Elektromagnetismus.

Elektrizität als isolierte Phänomene


Das Wort "Elektro" kommt von dem altgriechischen Wort für Bernstein. Man hatte schon in der Antike bemerkt, dass sich kleine Bernstein-Stückchen gegenseitig abstoßen können. Heute erklärt man das mit der elektrostatischen Aufladung. Das Wort für Bernstein hat der Elektrik den Namen gegeben. Im 18ten Jahrhundert nach Christus erforschte man dann elektrische Erscheinungen immer intensiver. Es wurde effektvolle Batterien gebaut, die bei gesellschaftlichen Anlässen oft für eindrucksvolle Experimente genutzt wurden. Die heutigen formelmäßigen Zusammenhänge wurden ab etwa dem Jahr 1800 formuliert.

Magnetismus als isolierte Phänomene


Es gibt Steine oder Gegenstände, die sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Das war schon den alten Griechen bekannt. Nahe der Stadt Magnesia fand man solche Steine, daher der Name. In China wurden bereits im 2ten Jahrhundert nach Christus magnetische Nadeln beschrieben, seit etwa dem Jahr 1000 wurden sie zur Navigation auf Schiffen eingesetzt. Diese Phänomene wurden jedoch bis 1820 in keinerlei Zusammenhang mit elektrischen Erscheinungen gesehen.

Oersteds Entdeckung des Elektromagnetismus


Bis zum Jahr 1820 waren Elektrik und Magnetismus zwei zusammenhangslos dastehende Phänomene. 1820 aber bemerkte der dänische Physiker Christian Oersted, dass ein fließender Strom auch Magnetfelder erzeugen kann. Das war so überraschend und unerwartet, dass Oersted einige anerkannte Personen seiner Stadt als Zeugen zur Beglaubigung der Versuche bemühte.[7]

Erst 11 Jahre später gelang es dem Engländer Michael Faraday nach langen fruchtlosen Bemühungen zu zeigen, dass auch Magnetfelder Strom erzeugen können. Diese enge ursächliche Kopplung magnetischer und elektrischer Phänomene sowie das dazu entstandene Theoriegebäude nennt man Elektromagnetismus: Bewegte Ladungen erzeugen immer ein Magnetfeld. Und: sich irgendwie verändernde Magnetfelder erzeugen immer eine elektrische Spannung. Das verbindende Scharnier ist die zeitliche Veränderung, entweder als Bewegung von Ladungen oder als Änderung von Feldern, daher bezeichnet man den Elektromagnetismus auch als Elektrodynamik ↗

Oersted: Elektrizität verursacht Magnetismus


Relativ zu einem Beobachter bewegte elektrische Ladungen erzeugen immer ein Magnetfeld um sich herum. Eine große Anzahl von Elektronen die gemeinsam in eine Richtung durch einen Draht fließen nennt man einen elektrischen Strom. Jedes der bewegten Elektronen erzeugt ein kleines Magnetfeld, der Strom als Ganzes ein recht deutliches. Man kann das zum Beispiel mit einem einfachen Kompass sichtbar machen. Hat man einen Stromleiter sehr dicht an einem Kompass, so kann man durch Ein- und Ausschalten des Stromes eine deutliche Bewegung der Kompassnadel beobachten. Mehr dazu unter Oerstedsches Gesetz ↗

Faraday: Magnetismus verursacht Elektrizität


Nachdem um 1820 bekannt war, dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen, probierte man den umgekehrten Weg: man wollte mit Magnetfeldern elektrische Ströme erzeugen. Aber ganz gleich, wie stark man auch die Felder machte: es floss kein messbarer Strom: Bis Michael Faraday die zufällige Beobachtung machte, dass beim ein- und ausschalten eines Elektromagneten plötzlich ein Strom durch einen benachbarten Leiter floss. Der Schlüssel war, dass es nicht auf die Stärke des Magnetfeldes ankam, sondern wie schnell es sich verändert: bewegte oder auch sich in der Stärke verändernde Magnetfelder erzeugen immer eine elektrische Spannung. Mehr dazu unter Induktion ↗

Einsteins Relativitätstheorie als tiefere Ursache


Tatsächlich ist der Magnetismus ein gemeinsamer Effekt rein elektrischer Felder kombiniert mit den relativistischen Effekten der Einsteinschen Relativitätstheorie[1][4]. Wenn sich eine elektrische Ladung im Raum bewegt[5], durchläuft sie bei der Bewegung Bereiche, in die ihr eigenes E-Feld bereits vorher eingedrungen ist. In einem elektrischen Leiter schließlich sind für einen Betrachter die Geschwindigkeiten der positiven Ladungsträger und der negativen Ladungsträger im Fall eines fließenden Stromes unterschiedlich, woraus relativististische Effekte entstehen[3]. Siehe auch Relativitätstheorie ↗

Fußnoten






Durch gewaltige Elektromagneten fließen starke elektrische Ströme und erzeugen dadurch starke Magnetfelder. Das Bild zeigt einen Teil der Anlage CERN bei Genf (Schweiz). x70tjw