Elektromagnetische
Wechselwirkung - Kurzer geschichtlicher Überblick
Die
elektromagnetische Wechselwirkung ist aufgrund ihrer Phänomene schon
lange wohlbekannt.
Bereits der griechische
Philosoph Thales von Milet (624 bis
546 v. Chr., Abb. rechts oben) wusste, dass geriebener Bernstein
feine Staubteilchen anziehen konnte.
Noch heute werden mittels Reibung
aufgeladene Gegenstände für Experimente der Elektrostatik verwendet. Bald wurde deutlich, dass es zwei Arten elektrischer Ladung gibt.
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Die anziehende
und abstoßende Wirkung wurden entdeckt.
Bei Untersuchungen
der Eigenschaften der elektrischen Kraft (Fel)
fand Coulomb (Abb. rechts, Mitte) heraus, dass
sie
proportional zum Produkt der beiden sich abstoßenden bzw. anziehenden
Ladungen (Q1.Q2)
und zum Kehrwert des Quadrats des Abstands (1/r2)
ist:
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Coulomb-Gesetz:
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Dieselbe Abstandsabhängigkeit
findet man auch in Newtons Gravitationsgesetz:
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Im
Jahr 1890 führte Sir Joseph John Thomson
(England, 1856-1940) die erste e/m-Messung mit Kathodenstrahlen durch und
konnte erstmals zeigen, dass es sich bei den Strahlen nicht um negative
Ionen sondern um wesentlich leichtere Teilchen - Elektronen
- handelt. Diese Entdeckung lieferte den Zusammenhang zwischen dem Aufbau
von Atomen und der Elektrizität.
Auch die magnetische
Kraft war schon im Altertum bekannt. Es gab bereits primitive Kompasse.
Ende des 16. Jahrhunderts begann man in Europa mit
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der Forschung über
die magnetische Kraft. Man entdeckte, dass sich die Erde wie ein Magnet
verhält und erkannte die beiden verschiedenen Pole. Man nannte sie
Nord- und Südpol. Die Kraft zwischen den Polen war der elektrischen Kraft
ähnlich. Man fand zwar keine einzelnen "magnetischen Ladungen" (magnetische
Monopole), entdeckte aber auch hier die abstoßende und anziehende
Wirkung, sowie dieselbe Abstands- abhängigkeit wie bei der elektrischen
Kraft.
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Im 19. Jahrhundert konnte endlich die Brücke zwischen den bis dahin getrennt betrachteten Kräften geschlagen werden.
H. C. Oerstedt (Dänemark, 1777 - 1851) entdeckte die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. M. Faraday (England, 1791 - 1867) entdeckte, dass ein sich änderndes
Magnetfeld in einem Leiter eine elektrische Spannung induziert.
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Aufgrund
dieser Entdeckungen stellte J.C. Maxwell
(Schottland, 1831 - 1897) seine berühmten Gleichungen zum elektrischen und magnetischen Feld auf, welche die Grundlage
der elektromagnetischen Theorie darstellen. Damit wurden zum ersten Mal
zwei Kräfte in einer Wechselwirkungstheorie
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zusammengefasst. Wir werden
später sehen, dass dies noch ein zweites Mal mit der Vereinigung von
elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung
gelang .
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Die fundamentalen
Zusammenhänge zwischen elektrischen Ladungen, dem elektromagnetischen
Feld und ihrer Eigenschaften bilden die Grundlage für die Sende- und
Empfangstechnik mit elektromagnetischen Wellen. Während eine ruhende elektrische Ladung nur ein elektrisches Feld besitzt,
erzeugt eine bewegte Ladung noch zusätzlich ein
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magnetisches Feld um sich herum. Wird eine elektrische Ladung beschleunigt,
wie z.B. bei der Schwingung von Elektronen in einer Antenne, strahlt sie
elektromagnetische Felder ab. Elektromagnetische Wellen werden je nach
Wellenlängenbereich
als Radiowellen, Licht, g-Strahlen,
Röntgenstrahlen etc. bezeichnet.
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Da die Maxwellschen Gleichungen auch innerhalb der speziellen Relativitätstheorie
Einsteins gültig waren,
stellen sie in der klassischen Physik die grundlegende Beschreibung der
elektromagnetischen Wechsel- wirkung dar. Die quantentheoretische Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkung wird
durch die Quantenelektrodynamik (QED) geleistet.
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Die endgültige
Formulierung stammt von Richard P. Feynman,
J. Schwinger und S. Tomanaga aus dem Jahr 1948. In der QED wird die elektromagnetische
WW durch den Austausch virtueller Photonen
beschrieben. Die QED ist bis heute die am besten verstandene und am genauesten
überprüfte Quantenfeldtheorie.
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