Elektromagnetische Wechselwirkung

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James Clerk Maxwell (1831-1879) Unterschrift von James Clerk Maxwell

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist eine der vier heute bekannten Grundkräfte der Physik. Sie bestimmt die Stärke und Gesetzmäßigkeit aller elektrischen und magnetischen physikalischen Phänomene, also den gesamten Elektromagnetismus, und wird im Rahmen der Elektrodynamik untersucht, die bei ruhenden Ladungen in die Elektrostatik bzw. bei zeitlich konstanten Magnetfeldern in die Magnetostatik übergeht.

Die klassische Form der Elektrodynamik wird durch die von James Clerk Maxwell von 1861 bis 1864 entwickelten Maxwell-Gleichungen beschrieben. Diese sind näherungsweise gültig, wenn die betrachteten Geschwindigkeiten klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sind und relativistische Effekte daher vernachlässigbar sind und auch Quanteneffekte keine Rolle spielen. Die führend von Richard Feynman entwickelte Quantenelektrodynamik (QED) berücksichtigt auch diese Effekte im Rahmen der Quantenfeldtheorie.

Auf Grundlage der Maxwell-Gleichungen entwickelte später Albert Einstein seine 1905 veröffentlichte Spezielle Relativitätstheorie.

Geschichte

Ausgangspunkt der Erforschung war eine Untersuchung der Kräfte zwischen elektrischen Ladungen. Das Gesetz von Coulomb von etwa 1785 gibt diese Kraftwirkung zwischen zwei punktförmigen Ladungen ganz analog zum Gravitationsgesetz an. Die Wirkung von elektrischen Kräften auf entfernte Ladungen wird durch das Konzept des elektrischen Feldes beschrieben. Dieses wird nicht nur durch elektrische Ladungen hervorgerufen, sondern auch durch zeitliche Änderungen magnetischer Felder. Diese Erkenntnis geht vor allem auf Michael Faraday zurück. Während ruhende elektrische Ladungen anscheinend nichts mit den Erscheinungen des Magnetismus zu tun haben, erweist sich eine bewegte elektrische Ladung als Ursache eines magnetischen Feldes, wie Hans Christian Ørsted 1820 erkannte. Wenn sich in diesem Feld eine zweite Ladung bewegt, so erfährt sie nach den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik eine magnetische Kraft, die dann etwa so groß wie die elektrische Kraft ist, wenn die Relativgeschwindigkeit in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit ist. Die klassische Elektrodynamik ist das erste Beispiel einer Feldtheorie, die das einsteinsche Relativitätsprinzip erfüllt. Wenn die Elektrodynamik nur invariant gegenüber Galilei-Transformationen wäre, dann gäbe es keine Induktionserscheinungen und keine Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Die Theorie der klassischen Elektrodynamik geht auf James Clerk Maxwell zurück, der im 19. Jahrhundert in den nach ihm benannten Maxwell-Gleichungen die Gesetze der Elektrizität, des Magnetismus und des Lichts als verschiedene Aspekte einer grundlegenden Wechselwirkung, des Elektromagnetismus, erkannte. Die elektromagnetische Wechselwirkung, die ja selbst das Ergebnis der Zusammenfassung der Theorie elektrischer und magnetischer Wechselwirkung ist, wird seit 1967 mit der schwachen Wechselwirkung zusammen als elektroschwache Wechselwirkung beschrieben. Eine Integration der starken Wechselwirkung in die gemeinsame einheitliche Feldtheorie wird angestrebt.

Wechselwirkung

Kennzeichnend für die elektromagnetische Wechselwirkung ist, dass sie eine große (prinzipiell unendliche) Reichweite hat und gleichzeitig absättigbar ist, d. h. die Wirkung einer negativen und einer positiven Ladung auf eine entfernte dritte Ladung heben sich praktisch auf. Die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung wird durch die Feinstrukturkonstante bestimmt, diese Kopplungskonstante ist etwa um den Faktor 100 kleiner als die der starken Wechselwirkung, aber um mehrere Größenordnungen größer als die der schwachen Wechselwirkung und erst recht viel größer als die der Gravitation.

Erscheinungen des Elektromagnetismus können auch dann beobachtbar sein, wenn keine elektrische Ladung in greifbarer Entfernung vorhanden ist, beispielsweise bei den elektromagnetischen Wellen oder beim Zerfall LaTeX: \pi^0 \to 2 \gamma des LaTeX: \pi^0-Pions in zwei Gamma-Photonen.

Im Bereich der kleinsten Teilchen wird die elektromagnetische Wechselwirkung durch die Quantenelektrodynamik beschrieben. Die elektromagnetischen Potentiale werden darin als Feldoperatoren aufgefasst, durch diese werden die Photonen, die Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, erzeugt oder vernichtet. Anschaulich bedeutet das, dass die Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen, also der Austausch von Impuls und Energie, das Ergebnis des Austausches von Photonen zwischen diesen Teilchen ist.

Die elektromagnetische Wechselwirkung im Gefüge einer möglicherweise einmal gefundenen Weltformel

Fundamentale Wechselwirkungen und ihre Beschreibungen
(Theorien in frühem Stadium der Entwicklung sind grau hinterlegt.)
Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitation
klassisch Elektrostatik & Magnetostatik,
Elektrodynamik
Newtonsches Gravitationsgesetz,
Allgemeine Relativitätstheorie
quanten-
theoretisch
Quanten­chromo­dynamik
(Standardmodell)
Quanten­elektrodynamik Fermi-Theorie Quanten­gravitation ?
Elektroschwache Wechselwirkung
(Standardmodell)
Große vereinheitlichte Theorie ?
Weltformel („theory of everything“) ?

Siehe auch


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