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May 31, 2023

Was ist die elektromagnetische Kraft?

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Die elektromagnetische Kraft ist eine der Grundkräfte der Natur und mit Sicherheit die wichtigste für unsere moderne Welt, auch wenn die meisten von uns sie wahrscheinlich für selbstverständlich halten.

Als eine der vier Grundkräfte im Standardmodell steht sie seit Jahrhunderten im Mittelpunkt wissenschaftlicher Forschung, und selbst die Menschen der Antike wussten, dass Effekte wie statische Elektrizität Teil von etwas Größerem waren. Es ist eine Kraft, die uns überall umgibt und an einer Vielzahl alltäglicher Phänomene beteiligt ist, von der Bewegung von Elektronen in Drähten über das Verhalten von Magneten bis hin zum Licht, das wir sehen. Das Verständnis der Eigenschaften dieser Kraft ist entscheidend für das Verständnis aller Dinge, vom Verhalten subatomarer Teilchen bis hin zum Design elektronischer Geräte.

Von den kleinsten subatomaren Teilchen bis hin zu den größten Strukturen im Universum spielt die elektromagnetische Kraft eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Welt um uns herum. Durch ein tieferes Verständnis dieser Kraft können wir Einblicke in das Verhalten von Materie und Energie gewinnen, die uns helfen können, die Welt besser zu verstehen und neue Technologien zu entwickeln, von denen wir alle profitieren können.

Die elektromagnetische Kraft ist neben der starken Kernkraft, der schwachen Kernkraft und der Schwerkraft eine der vier Grundkräfte der Natur. Es ist für die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen wie Protonen, Elektronen und Ionen verantwortlich.

Die Bedeutung der elektromagnetischen Kraft in der Physik kann nicht unterschätzt werden, da sie bei praktisch allen Phänomenen, die wir in der Welt um uns herum beobachten, eine Rolle spielt. Es ist für das Verhalten elektrischer und magnetischer Felder verantwortlich, die von Blitzeinschlägen bis zum Betrieb von Motoren und Generatoren überall vorhanden sind.

Darüber hinaus ist die elektromagnetische Kraft für das Verhalten von Licht und anderen Formen elektromagnetischer Strahlung wie Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlen verantwortlich.

Auf subatomarer Ebene ist die elektromagnetische Kraft für das Verhalten geladener Teilchen in Atomen und Molekülen verantwortlich. Diese Kraft bestimmt die Struktur von Atomen und die chemischen Eigenschaften von Elementen und ermöglicht die Bildung chemischer Bindungen, die Moleküle zusammenhalten.

Ohne die elektromagnetische Kraft wäre die Bildung von Molekülen unmöglich, und die komplexe Chemie, die für das Leben, wie wir es kennen, notwendig ist, wäre nicht möglich.

Eine der bedeutendsten Anwendungen der elektromagnetischen Kraft liegt in der Elektronik und Kommunikationstechnik. Durch die Manipulation elektrischer und magnetischer Felder können wir den Elektronenfluss erzeugen und steuern und so Schaltkreise und Geräte bauen, die komplexe Berechnungen durchführen und Informationen über große Entfernungen übertragen. Von Mobiltelefonen bis hin zu Satelliten spielt die elektromagnetische Kraft eine entscheidende Rolle in unserer modernen technologischen Infrastruktur.

Die elektromagnetische Kraft spielt auch in vielen anderen Bereichen der Physik eine entscheidende Rolle, darunter in der Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie. Es ist für das Verhalten geladener Teilchen in Gegenwart von Magnetfeldern verantwortlich, was für das Verständnis von Phänomenen wie der Aurora Borealis und für die Untersuchung hochenergetischer Teilchen in Teilchenbeschleunigern wichtig ist.

Kurz gesagt, es ist praktisch überall und irgendwie in fast alles involviert, was wir tun.

Fermilab

Die Beweise für die elektromagnetische Kraft sind umfangreich und wurden über Jahrhunderte wissenschaftlicher Forschung gesammelt. Einige der frühesten Beweise für die elektromagnetische Kraft gehen auf die alten Griechen zurück, die beobachteten, dass durch das Reiben bestimmter Materialien aneinander statische Elektrizität entstehen kann.

Diese Beobachtung wurde später von Wissenschaftlern wie Benjamin Franklin untersucht und erweitert, der Experimente mit elektrischen Ladungen durchführte und das Konzept positiver und negativer Ladungen entwickelte.

Ein weiterer wichtiger Beweis für die elektromagnetische Kraft ist das Verhalten geladener Teilchen in Gegenwart eines elektrischen oder magnetischen Feldes. Beispielsweise können elektrisch geladene Teilchen durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden, während magnetisch geladene Teilchen (also solche mit einem magnetischen Moment) durch ein magnetisches Feld abgelenkt werden können. Das Verhalten dieser Teilchen steht im Einklang mit den Vorhersagen der elektromagnetischen Theorie.

Darüber hinaus wurde die elektromagnetische Kraft durch Experimente mit Elektromagnetismus direkt beobachtet und untersucht, beispielsweise durch den Einsatz von Magnetfeldern in Teilchenbeschleunigern zur Untersuchung des Verhaltens subatomarer Teilchen. Die elektromagnetische Kraft ist auch für das Phänomen der elektromagnetischen Strahlung verantwortlich, einschließlich sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen und Radiowellen, die mit einer Vielzahl experimenteller Methoden beobachtet und gemessen werden können.

Königliche Institution von London

Es lässt sich nicht sagen, wer die elektromagnetische Kraft „entdeckt“ hat, da es sich um eine Grundkraft handelt, die es in der Natur ganz offensichtlich schon immer gegeben hat.

Die Erforschung von Elektrizität und Magnetismus, den beiden Phänomenen, aus denen die elektromagnetische Kraft besteht, reicht jedoch bis in die Antike zurück. Die alten Griechen waren sich der statischen Elektrizität bewusst und das chinesische Militär nutzte bereits im 3. Jahrhundert n. Chr. Magnetkompasse

Die „modernere“ Aufklärung der elektromagnetischen Kraft wird im Laufe der Geschichte mehreren Wissenschaftlern zugeschrieben, aber einer der ersten modernen Wissenschaftler, der sich wirklich damit in Verbindung brachte, ist William Gilbert. Gilbert, ein englischer Arzt und Naturphilosoph im 16. Jahrhundert, führte umfangreiche Forschungen zu Magnetismus und Elektrizität durch und war der erste, der die Begriffe „elektrische Kraft“, „elektrische Anziehung“ und „magnetischer Pol“ verwendete, um das Phänomen der Anziehung zwischen elektrifizierten Stoffen zu beschreiben Körper.

Im 18. Jahrhundert formulierte Charles-Augustin de Coulomb, ein französischer Physiker, das Coulombsche Gesetz, das die elektrostatische Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen beschreibt. Er war auch der Erste, der erkannte, dass die Stärke der elektromagnetischen Kraft zwischen zwei Ladungen proportional zum Produkt ihrer jeweiligen Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands voneinander ist.

Und während populäre Mythen in den USA Benjamin Franklin als „Entdecker“ der Elektrizität (oder zumindest ihrer Verbindung mit Blitzen) bezeichnen, ist dies in Wirklichkeit nicht der Fall. Der Zusammenhang zwischen Blitz und Elektrizität wurde schon lange vor Franklins Drachenexperiment diskutiert, aber was Franklin mehr interessierte, war die Frage, wie man Holzhäuser vor einem Brand durch einen Blitzschlag schützen kann. Sein Drachenexperiment mit einem Metallschlüssel als Leiter diente eher der Entwicklung einer frühen Form eines Blitzableiters, um die Elektrizität von Blitzen von den Holzkonstruktionen der damaligen Zeit wegzuleiten.

Ein weiterer wichtiger Beitrag zu unserem Verständnis der elektromagnetischen Kraft war der britische Physiker Michael Faraday, der die elektromagnetische Induktion entdeckte, die Schlüsselinnovation, die zum Antrieb von Elektromotoren und Generatoren beiträgt.

Viele weitere Wissenschaftler trugen bis weit in die Gegenwart zum zunehmenden Verständnis der elektromagnetischen Kraft bei, wobei Albert Einstein und Richard Feynman im 20. Jahrhundert zwei der größten Beiträge leisteten.

PiccoloNamek / Wikimedia Commons

Elektrizität bezieht sich auf den Fluss elektrischer Ladung, normalerweise durch einen Leiter, beispielsweise einen Draht. Durch die Bewegung elektrischer Ladung entsteht ein Magnetfeld, und durch die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen und Magnetfeldern entsteht die elektromagnetische Kraft.

Die elektromagnetische Kraft ist eine grundlegende Naturkraft, die die Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen wie Elektronen und Protonen sowie das Verhalten elektrischer und magnetischer Felder beschreibt.

Elektrizität ist im Wesentlichen ein Phänomen, das aus der Bewegung elektrischer Ladung entsteht, während die elektromagnetische Kraft eine Grundkraft ist, die die Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen beschreibt. Obwohl die beiden eng miteinander verbunden sind, sind Elektrizität und elektromagnetische Kraft zwei verschiedene Dinge und sollten nicht als Synonyme betrachtet werden.

D-Crow / Wikimedia Commons

So wie Elektrizität und elektromagnetische Kraft getrennte, aber verwandte Konzepte sind, ist elektromagnetische Strahlung eng mit der elektromagnetischen Kraft verbunden, aber nicht dasselbe.

Die elektromagnetische Kraft entsteht durch die Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Es kann sowohl anziehend als auch abstoßend wirken und ist für eine Vielzahl von Phänomenen verantwortlich, vom Verhalten von Atomen und Molekülen über die Eigenschaften von Materialien bis hin zur Funktionsweise elektronischer Geräte.

Andererseits bezieht sich elektromagnetische Strahlung auf Wellen oder Energieteilchen, die durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen erzeugt werden. Beispiele für elektromagnetische Strahlung sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Elektromagnetische Strahlung wird durch ihre Wellenlänge bzw. Frequenz und ihre Amplitude charakterisiert und kann vielfältige Auswirkungen auf Materie haben, darunter Erwärmung, Ionisierung und chemische Reaktionen.

Daher kann man sich elektromagnetische Strahlung besser als Folge der wirkenden elektromagnetischen Kraft vorstellen, insbesondere der Wellen oder Energieteilchen, die durch die Bewegung der geladenen Teilchen unter dem Einfluss der elektromagnetischen Kraft erzeugt werden.

Die elektromagnetische Kraft wird durch Teilchen, sogenannte Photonen, übertragen.

Photonen sind Elementarteilchen, die keine elektrische Ladung und keine Ruhemasse haben und sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Photonen entstehen, wenn ein elektrisch geladenes Teilchen, beispielsweise ein Elektron, einen Übergang von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren Energieniveau durchläuft. Dieser Vorgang wird Photonenemission genannt. Umgekehrt können Photonen von geladenen Teilchen absorbiert werden, wodurch diese einen Übergang auf ein höheres Energieniveau durchlaufen.

Sie werden oft als „Lichtteilchen“ bezeichnet, da sie für den Transport elektromagnetischer Strahlung verantwortlich sind, darunter sichtbares Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlen. Es ist vor allem der einzige Grundkraftträger, den wir eindeutig „sehen“ können, da Photonen der Grund dafür sind, dass wir überhaupt sehen können.

Photonen spielen auch bei einer Vielzahl von Phänomenen eine entscheidende Rolle, darunter bei der Photosynthese und der Erzeugung elektrischer Energie in Solarzellen. Ihre einzigartigen Eigenschaften haben es Wissenschaftlern auch ermöglicht, ein tieferes Verständnis der Natur des Lichts und des Verhaltens von Materie auf Quantenebene zu entwickeln.

Die Stärke der elektromagnetischen Kraft verleiht ihr in der Alltagswelt eine übergroße Wirkung, da sie die Schwerkraft und die schwachen und starken Kernkräfte absolut dominiert.

Dies hat auch viel mit einer Schlüsseleigenschaft der elektromagnetischen Kraft zu tun, nämlich dass ihr Einfluss sehr große Entfernungen zurücklegen kann, im Gegensatz zu den starken und schwachen Kernkräften, die nur auf subatomarer Ebene Einfluss nehmen können.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die elektromagnetische Kraft auf der Quantenskala nicht stark ist.

Die Stärke der elektromagnetischen Kraft wird durch die Kopplungskonstante bestimmt, die ein Maß für die Stärke der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen ist. Der Wert der Kopplungskonstante beträgt ungefähr 1/137, wodurch die elektromagnetische Kraft bei alltäglichen Energien viel stärker ist als die schwachen und starken Kernkräfte.

Bei sehr hohen Energien, wie sie beispielsweise in Teilchenbeschleunigern und im frühen Universum vorkommen, werden die Dinge jedoch viel unschärfer. Unter diesen Umständen kann die Stärke der elektromagnetischen Kraft mit der der schwachen und starken Kernkräfte vergleichbar sein, und bei besonders hohen Energien werden die elektromagnetische Kraft und die schwachen Kernkräfte so eng miteinander verflochten, dass sie eine einzige elektroschwache Kraft bilden.

Und bei diesen Energien kann die elektromagnetische Kraft mit Teilchen auf eine Weise interagieren, die bei niedrigeren Energien nicht beobachtet wird, was Hochenergieexperimente besonders nützlich macht, um die Grenzen und Fähigkeiten der elektromagnetischen Kraft zu erkunden.

NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Es wird angenommen, dass die elektromagnetische Kraft in den sehr frühen Stadien des Universums, kurz nach dem Urknall, entstanden ist. Zu dieser Zeit war das Universum extrem heiß und dicht und seine Teilchen befanden sich in einem Zustand hoher Energie und intensiver Aktivität.

Kosmologen glauben, dass die elektromagnetische Kraft aus einer einheitlichen Kraft hervorgegangen ist, die als elektroschwache Kraft bekannt ist. Diese Kraft war eine Kombination aus der elektromagnetischen Kraft und der schwachen Kernkraft, die für bestimmte Arten radioaktiven Zerfalls verantwortlich ist.

Als sich das Universum abkühlte und ausdehnte, durchlief die elektroschwache Kraft einen Prozess, der als Symmetriebrechung bekannt ist und dazu führte, dass sie sich in zwei unterschiedliche Kräfte aufspaltete: die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft.

Dieser Prozess fand etwa 10 bis 10 Sekunden nach dem Urknall statt, als die Temperatur des Universums unter eine kritische Schwelle fiel, die als elektroschwache Skala bekannt ist und auf etwa 100 Milliarden Elektronenvolt (GeV) geschätzt wird. Von der Temperatur her wären es etwa 1015 Kelvin.

theasis / iStock

Die elektromagnetische Kraft durchdringt unser Leben technologisch gesehen nicht unbedingt, aber sie kommt ihr ziemlich nahe.

Wenn Sie in einer elektrifizierten Region der Welt leben, wird die elektromagnetische Kraft von Anfang an eine Schlüsselrolle in nahezu allem in Ihrem Leben spielen, von der Ampel über das Telefon in Ihrer Tasche bis hin zum Funksignal, über das Sie kommunizieren. und der Fernseher, den du siehst.

Alles läuft auf die Stromerzeugung hinaus, und diese wird im Wesentlichen dadurch vorangetrieben, dass wir die elektromagnetische Kraft nutzen, um die Industrie anzutreiben. Stromerzeugung ist der Prozess, bei dem ein sich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Leiter, beispielsweise einer Drahtspule, induziert, der dann per Kabel oder sogar drahtlos an den Ort übertragen werden kann, an dem er benötigt wird.

Das Verhalten von Elektronen, bei denen es sich um negativ geladene Teilchen handelt, wird durch die elektromagnetische Kraft bestimmt. Dies ist die Grundlage der Elektronik, einschließlich Computer, Fernseher und Smartphones. Die elektromagnetische Kraft ist auch für die Wechselwirkungen zwischen Elektronen in Schaltkreisen und die Übertragung von Signalen über Kabel und drahtlose Netzwerke verantwortlich.

Auch Elektromotoren und Generatoren sind auf die elektromagnetische Kraft angewiesen. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das mit anderen Magnetfeldern auf eine Weise interagiert, die Bewegung in Elektromotoren erzeugen kann, die zum Transport schwerer Lasten oder Personen verwendet oder an ein anderes Werkzeug angeschlossen werden können, um Arbeit zu leisten .

In der Medizin nutzt die Magnetresonanztomographie (MRT) die elektromagnetische Kraft, um detaillierte Bilder des menschlichen Körpers zu erstellen. Es nutzt ein sehr starkes Magnetfeld und Radiowellen, um die Spins von Protonen im Körpergewebe zu manipulieren, die dann von Sensoren erfasst werden, um ein Bild zu erstellen.

Schließlich ist die elektromagnetische Kraft für unsere gesamte moderne Kommunikationsinfrastruktur, einschließlich Radio, Mobiltelefone und Internet, von wesentlicher Bedeutung. Diese Technologien basieren auf der Übertragung elektromagnetischer Wellen durch die Luft, um Informationen zu senden und zu empfangen.

Alle Materie im Universum, einschließlich der Atome, aus denen alles besteht, was wir sehen und erleben, ist auf die elektromagnetische Kraft angewiesen, um ihre Struktur und Eigenschaften aufrechtzuerhalten. Ohne die elektromagnetische Kraft könnte die Materie nicht mehr zusammenhalten und das Universum, wie wir es kennen, würde nicht mehr existieren.

Chemische Bindungen zwischen Atomen, beispielsweise in Wasser, Proteinen und DNA, werden durch die elektromagnetische Kraft hergestellt und zusammengehalten. Ohne diese Kraft würden diese Bindungen aufbrechen und die Moleküle würden in ihre einzelnen Atome zerfallen. Die Struktur und Stabilität aller Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase würde verloren gehen und die Welt, wie wir sie kennen, würde zu einer amorphen und chaotischen Mischung von Partikeln werden.

Neben ihrer entscheidenden Rolle im Aufbau der Materie spielt die elektromagnetische Kraft auch bei vielen Naturphänomenen eine Schlüsselrolle. Beispielsweise ist die elektromagnetische Kraft für das Verhalten von Licht und anderen Formen elektromagnetischer Strahlung verantwortlich und für die Funktion von Elektronik und anderen technischen Geräten von entscheidender Bedeutung.

Ohne die elektromagnetische Kraft wäre das Universum ein völlig anderer und nicht wiederzuerkennender Ort und das Leben, wie wir es kennen, wäre unmöglich.

Während die elektromagnetische Kraft gut verstanden ist und eine grundlegende Rolle im Verhalten der Materie spielt, gibt es in der Physik noch einige offene Fragen im Zusammenhang mit ihren Eigenschaften und Wechselwirkungen.

Eine der größten offenen Fragen der Physik ist die Frage, wie man die elektromagnetische Kraft mit der Schwerkraft in Einklang bringen kann, einer weiteren fundamentalen Kraft, die das Verhalten der Materie in größerem Maßstab bestimmt. Während gezeigt wurde, dass die beiden anderen Grundkräfte, die starke und die schwache Kernkraft, bei den hohen Energien unmittelbar nach dem Urknall zu einer einzigen elektroschwachen Kraft verschmelzen, waren Versuche, dies mit der Schwerkraft zu vereinen, bisher erfolglos.

Ein weiteres ungelöstes Problem ist das der Dunklen Materie. Wissenschaftler glauben, dass es im Universum weit mehr Materie gibt, als durch die beobachtete sichtbare Materie erklärt werden kann. Es wird angenommen, dass diese „dunkle Materie“ schwach mit normaler Materie wechselwirkt und oft als Hauptkandidat für eine neue Physik jenseits des Standardmodells angesehen wird. Es ist nicht klar, ob die elektromagnetische Kraft in irgendeiner Weise mit der Dunklen Materie interagieren würde, da bisher keine Wechselwirkung beobachtet wurde.

In der Praxis kann die elektromagnetische Kraft bei sehr hohen Energien, wie sie in Teilchenbeschleunigern vorkommen, unerwartete Verhaltensweisen zeigen, die nicht gut verstanden sind. Ein weiteres ungelöstes Problem ist die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED), die das Verhalten der elektromagnetischen Kraft mit bemerkenswerter Genauigkeit beschreibt, aber dennoch einige subtile Effekte hat, die schwer vollständig zu verstehen und zu berechnen sind.

Ein solcher Effekt ist die Lamb-Verschiebung, die sich auf eine kleine Abweichung im Energieniveau von Wasserstoffatomen bezieht, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektron und dem elektromagnetischen Feld verursacht wird.

Obwohl die elektromagnetische Kraft insgesamt zu den am besten verstandenen der vier Grundkräfte gehört, verspricht sie dennoch, dass es noch weitere Geheimnisse zu entdecken und zu erforschen gilt. Und angesichts der Bedeutung der elektromagnetischen Kraft für die Energieversorgung so vieler unserer modernen Technologien gibt es allen Grund zur Hoffnung, dass weitere Entdeckungen uns noch weiter bringen werden, als wir es für möglich gehalten hätten.