Materie & Energie

Elektromagnetismus Definition, Gleichungen und Fakten

Elektromagnetismus , Wissenschaft der Ladung und der mit Ladung verbundenen Kräfte und Felder.Strom undMagnetismus sind zwei Aspekte des Elektromagnetismus.

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Elektrizität und Magnetismus galten lange als getrennte Kräfte. Erst im 19. Jahrhundert wurden sie endgültig als miteinander verbundene Phänomene behandelt. 1905 stellte Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie zweifelsfrei fest, dass beide Aspekte eines gemeinsamen Phänomens sind. Auf praktischer Ebene verhalten sich elektrische und magnetische Kräfte jedoch sehr unterschiedlich und werden durch unterschiedliche Gleichungen beschrieben.Elektrische Kräfte werden durch elektrische Ladungen entweder in Ruhe oder in Bewegung erzeugt . Magnetische Kräfte hingegen werden nur durch bewegte Ladungen erzeugt und wirken ausschließlich auf bewegte Bewegungen.

Elektrische Phänomene treten auch in neutraler Materie auf, weil die Kräfte auf die einzelnen geladenen Bestandteile wirken . Insbesondere die elektrische Kraft ist für die meisten physikalischen und chemischen Eigenschaften von Atomen und Molekülen verantwortlich . Es ist enorm stark im Vergleich zuSchwerkraft . Zum Beispiel würde das Fehlen von nur einem Elektron von jeder Milliarde Molekülen bei zwei 70-Kilogramm-Personen, die zwei Meter voneinander entfernt stehen, sie mit einer Kraft von 30.000 Tonnen abstoßen. In einem bekannteren Maßstab sind elektrische Phänomene für den Blitz und den Donner verantwortlich, die mit bestimmten Stürmen einhergehen.

Elektrische und magnetische Kräfte können in Bereichen erfasst werden, die als elektrische und magnetische Felder bezeichnet werden . Diese Felder sind von grundlegender Natur und können im Raum weit entfernt von der Ladung oder dem Strom existieren , die sie erzeugt haben. Bemerkenswerterweise können elektrische Felder unabhängig von externen Ladungen Magnetfelder erzeugen und umgekehrt. Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld , wie der englische Physiker Michael Faraday in einer Arbeit entdeckte , die die Grundlage für die Stromerzeugung bildet. Umgekehrt erzeugt ein sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld, wie der schottische Physiker James Clerk Maxwellabgeleitet. Die von Maxwell formulierten mathematischen Gleichungen haben Licht- und Wellenphänomene in den Elektromagnetismus einbezogen . Er zeigte, dass elektrische und magnetische Felder zusammen als Wellen von durch den Raum wandernelektromagnetische Strahlung , wobei sich die wechselnden Felder gegenseitig unterstützen. Beispiele für elektromagnetische Wellen, die sich unabhängig von Materie durch den Raum bewegen , sind Radio- und Fernsehwellen, Mikrowellen , Infrarotstrahlen , sichtbares Licht , ultraviolettes Licht , Röntgenstrahlen und Gammastrahlen . Alle diese Wellen bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit, nämlich der Lichtgeschwindigkeit (ungefähr 300.000 Kilometer oder 186.000 Meilen pro Sekunde). Sie unterscheiden sich nur in der Frequenz, mit der ihre elektrischen und magnetischen Felder schwingen.

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Maxwells Gleichungen liefern immer noch eine vollständige und elegante Beschreibung des Elektromagnetismus bis auf die subatomare Skala, schließen diese jedoch nicht ein. Die Interpretation seiner Arbeit wurde jedoch im 20. Jahrhundert erweitert. Einsteins spezielle Relativitätstheorie verschmolz elektrische und magnetische Felder zu einem gemeinsamen Feld und begrenzte die Geschwindigkeit aller Materie auf die Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung. In den späten 1960er Jahren entdeckten Physiker, dass andere Kräfte in der Natur Felder mit einer ähnlichen mathematischen Struktur wie das elektromagnetische Feld haben . Diese anderen Kräfte sind die starke Kraft , die für die bei der Kernfusion freigesetzte Energie verantwortlich ist , und dieschwache Kraft , beobachtet beim radioaktiven Zerfall instabiler Atomkerne. Insbesondere wurden die schwachen und elektromagnetischen Kräfte zu einer gemeinsamen Kraft kombiniert, die als elektroschwache Kraft bezeichnet wird. Das Ziel vieler Physiker, alle fundamentalen Kräfte, einschließlich der Schwerkraft, zu einer großen einheitlichen Theorie zu vereinen, wurde bisher nicht erreicht.

Ein wichtiger Aspekt des Elektromagnetismus ist die Wissenschaft der Elektrizität, die mit dem Verhalten betreffen Aggregate zur Verfügung, einschließlich der Ladungsverteilung innerhalb der Materie und die Bewegung der Ladung von Ort zu Ort. Verschiedene Arten von Materialien werden entweder als Leiter oder als Isolatoren klassifiziert, je nachdem, ob sich Ladungen durch ihre Bestandteile frei bewegen können . Elektrischer Strom ist das Maß für den Ladungsfluss; Die Gesetze zur Regelung von Materieströmen sind in der Technologie wichtig, insbesondere bei der Erzeugung, Verteilung und Kontrolle von Energie.

Das Konzept der Spannung ist ebenso wie das der Ladung und des Stroms von grundlegender Bedeutung für die Wissenschaft der Elektrizität. Die Spannung ist ein Maß für die Neigung der Ladung, von einem Ort zum anderen zu fließen. Positive Ladungen neigen im Allgemeinen dazu, sich von einem Bereich hoher Spannung zu einem Bereich niedriger Spannung zu bewegen. Ein häufiges Problem bei Elektrizität ist die Bestimmung der Beziehung zwischen Spannung und Strom oder Ladung in einer bestimmten physikalischen Situation.

Dieser Artikel soll ein qualitatives Verständnis des Elektromagnetismus sowie eine quantitative Einschätzung der mit elektromagnetischen Phänomenen verbundenen Größen vermitteln.

Grundlagen

Der moderne Alltag ist von elektromagnetischen Phänomenen durchdrungen. Wenn einlightbulb is switched on, a current flows through a thin filament in the bulb, and the current heats the filament to such a high temperature that it glows, illuminating its surroundings. Electric clocks and connections link simple devices of this kind into complex systems such as traffic lights that are timed and synchronized with the speed of vehicular flow. Radio and television sets receive information carried by electromagnetic waves traveling through space at the speed of light. To start an automobile, currents in an Der elektrische Anlasser erzeugt Magnetfelder , die die Motorwelle drehen und die Motorkolben antreiben, um ein explosives Gemisch aus Benzin und Luft zu komprimieren . Der Funke, der die Verbrennung auslöst, ist eine elektrische Entladung, die einen momentanen Stromfluss ausmacht.