Elektromagnetisches Feld – Entdeckungsgeschichte und physikalische Eigenschaften

Elektrische und magnetische Phänomene sind der Menschheit seit der Antike bekannt, schließlich sahen sie Blitze und viele Menschen der Antike wussten von Magneten, die bestimmte Metalle anziehen. Die vor 4000 Jahren erfundene Bagdad-Batterie ist einer der Beweise dafür, dass die Menschheit schon lange vor unserer Zeit Elektrizität nutzte und offensichtlich wusste, wie sie funktionierte. Es wird jedoch angenommen, dass Elektrizität und Magnetismus bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts immer getrennt voneinander betrachtet wurden, als nicht miteinander verbundene Phänomene und als zu unterschiedlichen Zweigen der Physik gehörend betrachtet wurden.

Die Erforschung des Magnetfelds begann im Jahr 1269, als der französische Wissenschaftler Peter Peregrin (Ritter Pierre von Mericourt) das Magnetfeld auf der Oberfläche eines kugelförmigen Magneten mit Stahlnadeln markierte und feststellte, dass sich die resultierenden Magnetfeldlinien an zwei Punkten kreuzten, die er nannte „Pole“ in Analogie zu den Polen der Erde.

Oersted führte seine Experimente erst 1819 durch.entdeckte die Ablenkung einer Kompassnadel, die in der Nähe eines stromführenden Drahtes angebracht war, und kam daraus zu dem Schluss, dass es einen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen gebe.

5 Jahre später, im Jahr 1824, gelang es Ampere, die Wechselwirkung eines stromdurchflossenen Drahtes mit einem Magneten sowie die Wechselwirkung von Drähten untereinander mathematisch zu beschreiben, so erschien es Ampere-Gesetz: „Die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Draht in einem gleichmäßigen Magnetfeld wirkt, ist proportional zur Länge des Drahtes. magnetischer Induktionsvektor, Strom und Sinus des Winkels zwischen dem magnetischen Induktionsvektor und dem Draht «.

In Bezug auf die Wirkung eines Magneten auf einen Strom schlug Ampere vor, dass es im Inneren eines Permanentmagneten mikroskopisch kleine geschlossene Ströme gibt, die ein Magnetfeld des Magneten erzeugen, das mit dem Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters interagiert.

Nach weiteren 7 Jahren, im Jahr 1831, entdeckte Faraday experimentell das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, das heißt, es gelang ihm, die Tatsache des Auftretens einer elektromotorischen Kraft in einem Leiter in dem Moment festzustellen, in dem ein sich änderndes Magnetfeld auf diesen Leiter einwirkt. Sehen - praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion.

Wenn Sie beispielsweise einen Permanentmagneten in die Nähe eines Drahtes bewegen, können Sie darin einen pulsierenden Strom erzeugen, und wenn Sie einen pulsierenden Strom an eine der Spulen anlegen, an dem gemeinsamen Eisenkern, an dem sich die zweite Spule befindet, entsteht ein pulsierender Strom erscheinen auch in der zweiten Spule.

33 Jahre später, im Jahr 1864, gelang es Maxwell, bereits bekannte elektrische und magnetische Phänomene mathematisch zusammenzufassen – er erstellte eine Theorie des elektromagnetischen Feldes, nach der das elektromagnetische Feld miteinander verbundene elektrische und magnetische Felder umfasst. Dank Maxwell wurde es also möglich, die Ergebnisse früherer Experimente zur Elektrodynamik wissenschaftlich zu kombinieren.

Eine Konsequenz dieser wichtigen Schlussfolgerungen von Maxwell ist seine Vorhersage, dass im Prinzip jede Änderung des elektromagnetischen Feldes elektromagnetische Wellen erzeugen muss, die sich im Raum und in dielektrischen Medien mit einer bestimmten endlichen Geschwindigkeit ausbreiten, die von der magnetischen und dielektrischen Permittivität des Mediums abhängt zur Ausbreitung wellenförmig.

Für ein Vakuum stellte sich heraus, dass diese Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit war, und in diesem Zusammenhang ging Maxwell davon aus, dass Licht auch eine elektromagnetische Welle ist, und diese Annahme wurde später bestätigt (obwohl Jung lange vor Oersted auf die Wellennatur des Lichts hingewiesen hatte). Experimente).

Maxwell hingegen schuf die mathematischen Grundlagen für den Elektromagnetismus, und 1884 erschienen Maxwells berühmte Gleichungen in moderner Form. Im Jahr 1887 bestätigte Hertz Maxwells Theorie Elektromagnetische Wellen: Der Empfänger empfängt die vom Sender gesendeten elektromagnetischen Wellen.

Die klassische Elektrodynamik befasst sich mit der Untersuchung elektromagnetischer Felder.Im Rahmen der Quantenelektrodynamik wird elektromagnetische Strahlung als ein Photonenfluss betrachtet, bei dem die elektromagnetische Wechselwirkung von Trägerteilchen – Photonen – masselosen Vektorbosonen getragen wird, die als elementare Quantenanregungen eines elektromagnetischen Feldes dargestellt werden können. Daher ist ein Photon aus der Perspektive der Quantenelektrodynamik ein Quant des elektromagnetischen Feldes.

Die elektromagnetische Wechselwirkung gilt heute als eine der grundlegenden Wechselwirkungen in der Physik, und das elektromagnetische Feld ist neben dem Gravitations- und dem Fermionfeld eines der grundlegenden physikalischen Felder.

Physikalische Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes

Das Vorhandensein elektrischer oder magnetischer Felder oder beider im Raum kann anhand der starken Wirkung des elektromagnetischen Feldes auf ein geladenes Teilchen oder auf einen Strom beurteilt werden.

Das elektrische Feld wirkt auf elektrische Ladungen, sowohl bewegte als auch stationäre, mit einer bestimmten Kraft, abhängig von der Stärke des elektrischen Feldes an einem bestimmten Punkt im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt und von der Größe der Testladung q.

Wenn man die Kraft (Größe und Richtung) kennt, mit der das elektrische Feld auf die Testladung einwirkt, und die Größe der Ladung kennt, kann man die elektrische Feldstärke E an einem gegebenen Punkt im Raum ermitteln.

Ein elektrisches Feld wird durch elektrische Ladungen erzeugt, seine Kraftlinien beginnen bei positiven Ladungen (fließen bedingt von ihnen ab) und enden bei negativen Ladungen (fließen bedingt in sie hinein). Somit sind elektrische Ladungen Quellen elektrischer Felder. Eine weitere Quelle des elektrischen Feldes ist das sich ändernde Magnetfeld, was durch die Maxwell-Gleichungen mathematisch bewiesen wird.

Die Kraft, die von der Seite des elektrischen Feldes auf eine elektrische Ladung einwirkt, ist Teil der Kraft, die von der Seite des elektromagnetischen Feldes auf eine bestimmte Ladung wirkt.

Ein Magnetfeld entsteht durch sich bewegende elektrische Ladungen (Ströme) oder durch zeitlich veränderliche elektrische Felder (wie in den Maxwell-Gleichungen zu sehen) und wirkt nur auf sich bewegende elektrische Ladungen.

Die Stärke der Wirkung des Magnetfelds auf eine sich bewegende Ladung ist proportional zur Induktion des Magnetfelds, der Größe der sich bewegenden Ladung, der Geschwindigkeit ihrer Bewegung und dem Sinus des Winkels zwischen dem Induktionsvektor des Magnetfelds B und die Richtung der Bewegungsgeschwindigkeit der Ladung. Diese Kraft wird oft als Lorenzobache-Kraft bezeichnet und ist nur der „magnetische“ Teil davon.

Tatsächlich umfasst die Lorentzkraft elektrische und magnetische Komponenten. Das Magnetfeld entsteht durch bewegte elektrische Ladungen (Ströme), seine Kraftlinien sind immer geschlossen und überdecken den Strom.