Web-Projekt Physik des Monats             März

Elektromagnetismus

Unter Elektromagnetismus versteht man die physikalischen Phänomene und die dazu gehörende Theorie, die mit der Wirkung von elektrischen Ladungen und Strömen und den daraus resultierenden Kräften zu tun haben. Zu diesem Gebiet der Physik gehöhrt auch alles, was mit elektromagnetischer Strahlung zu tun hat. Grundlegende theoretische Überlegungen zur elektromagnetischen Strahlung, insbesondere ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Fragen zur Äquivalenz von Koordinatensystemen, führten zur Relativitätstheorie. Die Quantenelektrodynamik (QED) beschreibt elektromagnetische Wechselwirkungen von Elementarteilchen im Rahmen der Quantenfeldtheorie. Aus den Erkenntnisse zum Elektromagnetismus ergaben sich viele Anwendungen (Radio und Fernsehen, Elektronik, Computer, Mobilfunk, etc.). Sie haben unsere Gesellschaft grundlegend verändert! Wie aus vielen verschiedenen Phänomenen ein einheitliches Verständnis wurde, beschreibt der historische Überblick.

Inhalt dieser Webseite mit Stichwörter:

1. Ein Überblick (mit historischer Perspektive) über elektromagnetische Phänomene

Mit der Erdanziehungskraft (Gravitation; siehe bei Astrophysik) haben sich die Menschen schon immer auseinandersetzen müssen. Sie war einfach da, so wie der Wind, die Wolken, die Sonne und die Sterne. Es wurden aber noch andere, zunächst sehr schwach erscheinende, Kräfte zufällig entdeckt. Die ersten schriftlichen Überlieferungen darüber stammen von den Griechen. Von Ihnen stammen auch die heute benutzten Bezeichnungen dieser Erscheinungen: Elektrizität und Magnetismus. Sie sind abgeleitet aus den griechischen Bezeichnungen für Bernstein und Magneteisenstein. Bernstein zog z.B. Papierschnitzel an. An Magneteisenstein blieb Eisen hängen. Da die Kräfte im Vergleich zur Schwerkraft vernachlässigbar klein waren, beschäftigte man sich viele hundert Jahre nicht ernsthaft mit ihnen.

Erst im Mittelalter begann man mit der experimentellen Erforschung elektrischer und magnetischer Phänomene. Die ersten umfangreichen Untersuchungen wurden von William Gilbert (1544 - 1603), Hofarzt der Königin von England, durchgeführt. Er fand heraus, daß ein Magnet immer zwei Pole hat, auch wenn man ihn zerstückelt. Je nach Orientierung des Magneten gab es anziehende und abstoßende Kräfte. Er beschrieb die Erde als einen großen Magneten und erfand die Kompassnadel. Gilbert studierte auch elektrische Erscheinungen und zeigte, z.B., daß neben Bernstein auch andere Stoffe wie Glas, Schwefel und einige Edelsteine bei Reibung elektrisch wurden.

Die erste Elektrisiermaschine wurde Mitte des 17. Jahrhunderts von dem durch seine Vakuumversuche (Magdeburger Halbkugeln) berühmt gewordenen Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke (1602 - 1686) gebaut. Sie bestand aus einer Schwefelkugel, die sich in einem Holzgestell drehen ließ. Er glaubte nämlich, daß der Mond nicht auf die Erde fällt, weil er durch elektrische Kräfte abgestoßen würde. Von Guericke demonstrierte dies mit einer Flaumfeder, die er in einem konstanten Abstand über einer elektrisch geladener Schwefelkugel von etwa 10 cm Durchmesser schweben ließ. Heute wissen wir, daß seine Vorstellung von der Aufhängung des Mondes falsch war, denn der Abstand zwischen Mond und Erde wird ausschließlich durch das Wechselspiel von Gravitationskraft und Zentrifugalkraft beim Umlauf um die Erde bestimmt.

 

Versuche von Otto von Guericke

zur Elektrizität (Stich)

 

 

 

Erst etwa 100 Jahre später, Mitte des 18. Jahrhunderts, wurden weitere Elektrisiermaschinen entwickelt, die sogar in "besseren" Kreisen zur Belustigung der Gäste eingesetzt wurden. Eine besondere Attraktion war z. B. der Elektrische Kuß (siehe Bild): Eine hübsche, auf einem Isolierschemel stehende Empfangsdame, die über einen versteckten Draht mit einer Elektrisiermaschine verbunden war, begrüßte ankommende Gäste mit einem Funkenkuß. Heute gäbe es sicher einen Paragraphen in einer Gefahrenverordnung, der dererlei Scherze verbieten würde.

 
"Elektrischer Kuss"

 

Eine der ungewöhnlichsten Maschinen zur Erzeugung hoher Spannungen wurde mit Dampf betrieben. Unter hohem Druck auf eine Platte gerichteter Wasserdampf produziert hohe elektrische Spannungen, die zu deutlich sichtbaren Funkenentladungen führt.

Die erste mathematische Beschreibung der elektrischen Kräfte verdanken wir Charles Coulomb (1736 - 1806). Er führte negative und positive elektrische Ladungen ein. Gleichartige Ladungen stoßen sich ab, ungleichartige ziehen sich an. Diese Kräfte bekamen später die Name Coulomb Kräfte. Die Kraft zwischen ihnen nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab, wie auch die Anziehungskraft zwischen den Massen. Es besteht aber ein gewaltiger Unterschied in der Stärke beider Kräfte. Die elektrische Kraft zwischen zwei Elektronen ist etwa 1040(!) mal größer als die gravitative Massenanziehung. Der Grund, warum die elektrischen Kräfte in der Alltagserfahrung weit weniger in Erscheinung treten als die Graviation liegt in der Existenz zweier Ladungsarten (positive und negative) und der Ladungserhaltung, die dazu führt, daß sich Ladung global vollständig kompensiert. Erst durch Berührung verschiedener Materialien oder durch Reibung kann lokal eine kleine Ladungsungleichheit, oder besser Ladungstrennung entstehen, die wir zuweilen als elektrostatische Aufladung spüren.

 

Eine völlig andere Richtung der elektrischen Erscheinungen wurden durch zwei Italiener eingeleitet: Anatomieprofessor Luigi Galvani (1737 - 1798) und den Physiklehrer Alessandra Volta (1745 - 1827). Galvani hat das Zucken eines Froschschenkels bei Berührung durch einen Metallstab mit elektrischen Erscheinungen in Verbindung gebracht. Weiterführende Untersuchungen von Volta mit ver-schiedenen Metallen und Elektrolyten führten dann zu der Erfindung einer elektrischen Spannungsquelle (Akku, Batterie), mit der man große Ströme herstellen konnte. Dies bedeutete eine Revolution in der experimentellen Forschung und Anwendung. Man konnte bis dato zwar mit elektrostatischen Maschinen hohe Spannungen erzeugen (etwa 30 000 Volt), aber keine großen Ströme. Jede der Voltaschen Batteriezellen lieferte zwar nur etwa 1Volt, aber durch Hintereianderschaltug konnte man relative große Ströme bei beliebigen Spannungen erzeugen. Es entstanden Batteriefabriken mit riesigen Abmessungen (Generatoren waren noch nicht erfunden!).

 
Batteriefabrik im 18. Jahrhundert

 

Bis zu diesem Zeitpunkt bestand keinerlei Verbindung zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen. Das änderte sich plötzlich, als der dänische Universitätsprofessor Hans Christian Oersted (1777 - 1851) bei der Vorbereitung auf eine Vorlesung den Einfluß elektrischer Ströme auf eine Magnetnadel entdeckte. Die Neuigkeit verbreitete sich sehr schnell. Es war der erste Hinweis, daß Elektrizität und Magnetismus miteinander gekoppelt sind.

Kurze Zeit später gelang André Marie Ampère (1775 - 1836) die quantitative Beschreibung dieser Beobachtung. Er konnte zeigen, daß auch stromdurchflossene Leiter Kräfte aufeinander ausüben. Der Kölner Gymnasiallehrer Georg Simon Ohm (1787- 1857) hat den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom für verschiedene Leiter hergestellt und mit dem elektrischen Widerstand verbunden. Das Ohm'sche Gesetz ( U = R I) ist wohl das einfachste und bekannteste Gesetz in der Physik.

Einer der bedeutensten und vielseitigsten Physiker seiner Zeit war Michael Faraday (1791 - 1861). Eine seiner wichtigsten Entdeckungen ist die magnetische Induktion. Dreht man eine Drahtschleife in einem Magnetfeld, so entsteht an den Enden eine elektrische Spannung. Damit war der Beweis erbracht, daß durch eine Änderung des magnetischen Flusses in einer Leiterschleife elektrische Ströme induziert werden. Diese Entdeckung führte unmittelbar zur Erfindung des Generators (siehe Applet) und Transformators und war der Beginn der industriellen Elektrotechnik. Von Faraday stammt auch die Einführung des Begriffs elektrisches bzw. magnetisches Feld.

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Wechselstromgenerator
(Prinzip)

 

Die Vorstellung elektromagnetischer Felder wurde von James Maxwell (1831 - 1879), einem der bedeutensten theoretischen Physikern des 19. Jahrhunderts, aufgegriffen und zu einer umfassenden Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkungen entwickelt, die zu den berühmten Maxwell'schen Gleichungen führte (1873: A Treatise on Electricity and Magnetism). Diese Gleichungen beschreiben quantitativ alle elektromagnetischen Phänomene. Sie forderten auch, weit vor ihrer Entdeckung, die Existenz freier elektromagnetischer Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ausbreiten.

Der experimentelle Nachweis dieser Voraussagen gelang Heinrich Hertz (1857 - 1894) in Karlsruhe. Unter Verwendung einer Funkenstrecke als schnellem Schalter erfand er einen neuartigen Schwingkreis, der bei mit sehr hoher Frequenz schwang (Hertz'scher Dipol). Er baute ihn in den Brennpunkt eines Parabolspiegels ein und hatte damit einen Sender, der elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 30 cm in den freien Raum abstrahlte. Auch der Detektor war ein gleich großer Parabolspiegel, in dessen Brennpunkt eine winzige Funkenstrecke stand, die von den empfangenen Wellen zum Funkenüberschlag angeregt wurde.

 

links: Hertz'sche Apparatur zum Nachweis elektromagnetischer Wellen

rechts: vergrößerte Aufnahme der Funkenstrecke

 

Hertz' Entdeckungen waren die Grundlage für eine rasante Entwicklung der Funktechnik. Man beachte, daß in diesem Wort immer noch der von Hertz benutzte "Funke" enthalten ist, obwohl heute weder in Sendern noch Empfängern Funken benutzt werden.
Von 1989 bis zu seinem frühen Tod (1894) war Hertz Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Bonn. Hier fertigte er eine neue, verbesserte experimentelle Ausrüstung zur Erzeugung und zum Nachweis freier Wellen an. Noch heute wird in der Physikvorlesung in Bonn mit den Originalapparaturen die Erzeugung und der Nachweis von elektromagnetischen Wellen demonstriert.

 

Elektromagnetische Welle weit entfernt vom Sender

 

 

Eine weiteres Phänomen, das schließlich zur Entdeckung von Elektronen führte, ist mit den Namen von Julius Plücker (1801 - 1868) und Johann Wilhelm Hittorf (1824 - 1914) verknüpft. Beim Experimentieren mit Gasentladungsröhren entdeckte Plücker 1858 im Entladungsrohr Strahlen gefunden (Kathodenstrahlen), die durch ein Magnetfeld abgelenkt wurden, aber zunächst nicht näher identifiziert werden konnten. Auch Heinrich Hertz und sein Schüler Pillipp Lenard (1862 - 1947) beschäftigten sich mit diesen Erscheinungen. Hertz regte Lenard dazu an, die Kathodenstrahlen durch ein dünnes vakuumdichtes Aluminiumfenster der Entladungsröhre zu schicken, um sie getrennt von den verdünnten Gasen in der Röhre im freien Raum untersuchen zu können. Bald danach (1897) konnte Joseph John Thomson (1856 - 1940) in Cambridge eindeutig zeigen, daß es sich bei den Kathodenstrahlen um Elektronen handelte.

Ebenfalls beim Experimentieren mit Kathodenstrahlen machte Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923) in Würzburg 1895 zufällig eine Entdeckung, die in kürzester Zeit die medizinische Diagnostik von Knochenbrüchen revolutionierte. Eine bis dahin unbekannte Strahlung, die magnetisch nicht beeinflußt werden konnte und dicke Materieschichten fast ungehindert durchdringen konnte. Sie wurde nach ihrem Entdecker Röntgenstrahlung genannt. Später wurde klar, daß es sich um ebenfalls um "normale" elektromagnetische Strahlung, allerdings mit sehr hoher Energie, handelt, die beim Auftreffen von Elektronenstrahlen auf Materie entsteht. Ähnliche Strahlung findet man auch im Zusammenhang radioaktiven Prozessen (siehe Kernphysik) oder in sehr heißen Plasmen, so wie sie im Universum (heiße Sterne, Supernovaexplosionen, usw.) auftreten (siehe Physik der Sterne und Supernova).

 

Röntgenaufnahme vom 14.2.1896

(Handverletzung durch Schrotflinte)

 

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatte die Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung einen bemerkenswerten Stand erreicht. Völlig unverstanden aber war der innere Aufbau der Atome. Man wußte, daß die Elektronen und die elektromagnetische Wechselwirkung eine entscheidende Rolle spielten, aber um das Gewicht und die Stabilität der Atome erklären zu können, mußten andere, schwerere Teilchen und weitere unbekannte Kräfte eine Rolle spielen (siehe Atomphysik, und auch Kernphysik sowie Teilchenphysik). Die Quantentheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung (QED) wird als Musterbeispiel einer erfolgreichen Theorie angesehen. Es ist bis heute kein Experiment bekannt, das dieser Theorie widerspricht.

 

Die Ersten drei Abbildunen sind aus dem Buch von Kurt Sattelberg: Vom Elektron zur Elektronik, Elitera Verlag (1971).
Der Parabolspiegel (Sender) ist eine Originalzeichnung von Hertz. In der Aufs icht ist die tragende Holzkonstruktion dargestellt.
Das Photo des Dipols ist im Physikalischen Institut der Universität Bonn aufgenommen (Kniestedt).
Die Röntgenaufnahme stammt von Pupin. Sie ist aus dem Buch von Albert Fölsing: Wilhelm Conrad Röntgen,Hanser Verlag (1995)

Berühmte Physiker mit Photos findet man hier.


2. Vom Elektromagnetismus zur speziellen Relativitätstheorie

Zu Maxwells Zeit (d.h. um 1870) meinte man, die elektromagnetischen Wellen pflanzten sich durch einen überall vorhandenen Äther fort. Der Äther war gleichzeitig das alles durchdringende, absolute Referenzsystem. Licht sollte in dieser Betrachtung eine feste Geschwindigkeit c haben. Die sich schnell durch den Äther bewegende Erde würde es somit erlauben, Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit festzustellen, je nach Richtung des Lichtes gegenüber der Erdbewegung. Michelson und Morley zeigten (1887) aber mit ihrem berühmten Experimente, daß die Lichtgeschwindigkeit in allen Richtungen unabhängig von der Geschwindigkeit von Sender oder Empfänger gleich ist. H.A. Lorentz schloss daraus, daß die mathematische Vorschrift, die von einem Koordinatensystem auf ein anderes transformiert, geändert werden muss. Er formuliert die nach ihm benannte Lorentz-Transformation. Sie hat als unmittelbare Konsequenz, daß Längen und Massstäbe in sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Systemen (Raketen) verkürzt sind relativ zu dem außenstehenden Betrachter (Längenkontraktion) und daß die Zeit in diesen Systemen langsamer vergeht (Zeitdilatation).

Als Konsequenz aus dem Michelson-Morley Experiment postulierte Einstein 1905, daß es kein absolutes Koordinatensystem gibt (also auch keinen Äther), daß die Physikalischen Gesetzte - insbesondere die Grundgleichungen der Elektrodynamik - gegenüber Koordinatentransformationen invariant sein müssen und daß die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen konstant ist. Dies lieferte die spezielle Relativitätstheorie. Durch konsequente Weiterführung und der Erkenntnis, daß ein homogenes Gravitationsfeld von einem gleichmäßig beschleunigten Bezugssystem ununterscheidbar ist (Äquivalenzprinzip, Gedankenbeispiel: abgerissenes Aufzugseil !), schuf Einstein später auch die allgemeine Relativitätstheorie (siehe dazu auch bei Astrophysik).

In der Relativitätstheorie wird die Äquivalenz der Referenzsysteme geregelt. Sie führt auch zu dem Gesetz der Äquivalenz von Masse und Energie, E = m c2. Diese Erkenntnis war später die Basis für die Theorie der Kernfusion (siehe Kernphysik) und die Energieerzeugung in Sternen (siehe Physik der Sterne).

 

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zu Relativitätstheorie

Lorentz-kontrahiertes Raum-Zeit-Rad

Raum-Zeit Diagramm des Durchflugs einer Rakete

Haben Sie Appetit bekommen ? Hier gibt es mehr dazu !

 

Die große Bedeutung der Relativitätstheorie liegt darin, daß in ihr die Theorie der Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung und die Struktur des Raumes zusammen behandelt wurden. Dabei liefert die Notwendigkeit der Invarianz physikalischer Vorgänge bei der Transformation von Koordinatensystemen:
Erstens, daß die Lichtgeschwindigkeit konstant ist (siehe oben)
Zweitens, daß Masse und Energie äquivalent sind (siehe oben); Dies beendete den seit dem 18. Jahrhundert laufenden Disput, ob Licht als Welle oder als Teilchen zu betrachten ist
Drittens, daß es Lichtablenkung im Schwerefeld (z.B. der Sonne) geben muss und
Viertens, daß es eine relativistische Änderung von Zeit und Längen gibt.  

 

 

3. Anwendungen

Die Theorien zum Elektromagnetismus führten zu der Entdeckung und Entwicklung unzähliger Anwendungsmöglichkeiten, ohne die die heutige Welt nicht denkbar wäre. Nur einige wenige werden nachfolgend aufgeführt.

Motoren und Elektromotoren. Die Theorie zum Elektromagnetismus war von wesentlicher Bedeutung für die Entwicklung von Motoren. Die Bewegung einer Spule in einem Magnetfeld oder eines Magnetes in einer Spule erzeugt elektrischen Strom. Umgekehrt kann durch Stromfluss ein Elektromotor in Bewegung gesetzt werden. Doch zuerst zum Benzinmotor.
Die Drehung der Antriebachse eines Benzinmotors wird verwendet, um am richtigen Zeitpunkt eine durch Induktion erzeugte Spannung über Funken zu entladen. Die Funke zündet das Benzin-Luft-Gemisch im Zylinder (1878, Otto-Motor mit Zündkerze), so daß der Zylinder damit eine Weiterführung der Drehung erzeugt. Dies ermöglichte die Entwicklung effizienter Motoren und öffnete den Weg zur Anwendung bei Transportmittel aller Art, wie Autos, Lastwagen, Schnelldampfer, Propellerflugzeuge, und vieles mehr.

 
Hier clicken zum Laden des Applets Viertakt Ottomotor (Prinzip)
(Link zu Verbrennungsmotoren)

Im Elektromotor führt Stromfluss durch Induktion zur Drehung einer Spule im Magnetfeld. Die mit der Drehung gleichzeitig bewirkte rechtzeitige Umschaltung des Stromkreises regt die Drehung erneut an und wird so dauerhaft fortgeführt. Der Elektromotor eröffnete die Möglichkeit der Entwicklung effizienter Bewegungsgeneratoren mit elektrischem Strom, wie vom Elektromotor getriebene Herstellungsprozesse, elektrische Rasiergeräte, Küchengeräte, Schallplatten und CD-Laufgeräte, Antriebe für Festplatten, und vieles mehr.

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Gleichstrommotor
(Prinzip)

Elektronik. Die Bewegung von Ladungen in Halbleitern wie Silizium und Germanium führte zu der Möglichkeit, zuvor sehr komplizierte Bauelemente wie z.B. Dioden sehr effizient herzustellen und immer mehr zu verkleinern. Es entstand zuerst die diskrete Halbleiterelektronik, aus der sich in den letzten 40 Jahren die integrierte Chipelektronik entwickelte, die zu einer Revolution in der Informationsverarbeitung führte. Die Chips der heutigen PC-Prozessoren besitzen mehrere Millionen Transistoren auf einer Fläche von nicht mehr als einem Quadratzentimeter. Elektronik-Chips werden in aufwendigen Prozessschritten hergestellt (clicken Sie hier, um die Animation der Herstellung eines Feldeffekt Transistors (FET) und eines bipolaren Transistors (BJT) zu sehen). In heutigen Telefonkarten stecken Computerchips, die auf die Dicke eines menschlichen Haares heruntergedünnt wurden.

Funkverkehr und Fernsehen. Der von Heinrich Hertz gelungene Nachweis der Übertragung elektromagnetischer Wellen führte zur der Entwicklung des Radios. Anfänglich mit Sende- und Empfangsgerät basierend auf elektronische Röhren, später mit Hilfe von Transistoren, wurde die Technik immer weiter verbessert. Der Funkverkehr mündete schließlich in Hörfunk und Fernsehen. Er ermöglicht in Verbindung mit integrierter Elektronik die schnelle Kommunikation und führte zu einer tiefgreifenden Umwandlung unserer Gesellschaft. Funkverkehr erlaubt die Fernsteuerung von Geräten. So konnten Modellflugzeuge entwickelt werden sowie Roboter. In dieser Kategorie gehöhrt auch die Raumfahrt mit den ferngesteuerten Satelliten. Ebenfalls in diese Kategorie gehöhrt die Fernbedienung von Fernseher und Audiogerät. Der "Handset" sendet bei Knopfdruck einen kleinen Puls im Mikrowellenbereich der von Hauptgerät emfangen und für die gewünschte Schaltung verwendet wird.

Mobile Telefonie. Die rasant wachsende Technologie der Mikroschaltungen und Rechner, sowie die Miniaturisierung von Tastaturen, Antennen und Lautsprecher erlaubte die Entwicklung mobiler Telefonie. Heute hat etwa jeder vierte Deutscher ein "Handy"!

 

Links zu relevanten Webseiten:

Auf Deutsch: Allgemeines zu Physik, Astro, Mathe, usw
Auf Englisch: zu   Relativitätstheorie

Autoren: K.-H. Althoff, K.S. de Boer, N. Wermes,  email: deboer@astro.uni-bonn.de, wermes@physik.uni-bonn.de
Veröffentlicht 22 Februar 2000 im Jahr der Physik auf www.astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmelmag.html
Letzte Änderung: 2000.11.10