Elektromagnetismus

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Was ist Elektromagnetismus?

Unter Elektromagnetismus versteht man den Effekt, dass sich um jeden stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld bildet. Elektrischer Strom erzeugt also ein Magnetfeld.
Alle Phänomene, die auf Elektrizität oder Magnetismus zurückgeführt werden, gehören zum Elektromagnetismus. Die elektromagnetische Kraft ist neben atomaren Kräften und der Gravitation eine physikalische Grundkraft. Heute ist bekannt, dass fast alle Erscheinungen in unserer Umwelt, außer der Erdanziehungskraft, auf Elektromagnetismus beruhen. Dementsprechend können sie durch die Elektrodynamik beschrieben werden.

Inhaltsverzeichnis

Elektromagnetismus ist ein Ausdruck für die Gesamtheit elektrischer und magnetischer Erscheinungen. Unter Elektromagnetismus versteht man in der Physik ein vereinheitlichtes Verständnis von Elektrizität und Magnetismus. Die Theorie des Elektromagnetismus in der Physik ist die Elektrodynamik.

Die Entdeckung des Elektromagnetismus

Lange Zeit wurde in der Physik nicht sauber zwischen elektrischen und magnetischen Kräften unterschieden. Dabei kam es entweder zu Verwechslungen beider Erscheinungen oder aber die Forscher sahen gar keinen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Erst 1820 erkannte Oersted, dass ein stromdurchflossener Leiter eine magnetische Kraftwirkung auf eine nahe angebrachte Kompassnadel ausübt und stellte somit fest, dass von bewegten Ladungen ein Magnetfeld ausgeht. James Clerk Maxwell formulierte 1864 die Maxwellgleichungen und entwickelte dadurch die mathematischen Grundlagen der Elektrodynamik für eine vereinheitlichte Beschreibung des Elektromagnetismus.

Erfahren Sie in unserem Ratgeber mehr zur Geschichte der Magnete.

Grundlagen des Elektromagnetismus

Elektrische Ladungen sind die Quellen für elektrische Felder. Magnetische Felder entstehen durch Ströme, also bewegte Ladungen, und zeitlich veränderliche elektrische Felder, die wiederum auch durch zeitlich veränderliche Magnetfelder entstehen.

Geladene Objekte üben elektrische Kräfte aufeinander aus. Es gibt positive und negative elektrische Ladungen. Gleichgeladene Körper (also beide negativ oder beide positiv geladen) stoßen sich ab und ungleich geladene (einer negativ, einer positiv) ziehen sich an. Dabei wurde festgestellt, dass die Kräfte verschwinden, wenn die Ladungen abfließen können. Dies kann beispielsweise durch den Kontakt zu geerdeten Metallteilen oder einfach durch Berührung der geladenen Körper geschehen, wobei man sich jedoch einen elektrischen Schlag holen kann.

Bei den Magneten wirkt eine Kraft, obwohl die Körper nicht geladen sind. Die Kraftwirkung verschwindet nicht, wenn die Körper geerdet oder berührt werden. Dies liegt daran, dass die magnetischen Kräfte durch die Bewegung der Elektronen in der magnetischen Materie zustande kommt. Die Ladungsbewegung findet an den einzelnen Atomen des magnetischen Materials statt und es gibt keine überschüssige Ladung, die irgendwohin abfließen kann.

Von bewegten Ladungen gehen grundsätzlich magnetische Kräfte aus. Dabei entsteht immer ein Magnetfeld mit einem Nordpol und einem Südpol. Quellen des Magnetfeldes, wie die Ladungen die Quellen des elektrischen Feldes sind, gibt es nicht. Bei der Erzeugung eines Elektromagneten wird ein starker Strom durch eine Spule geschickt, wodurch eine starke magnetische Kraftwirkung entsteht.

Viele Erscheinungen des Elektromagnetismus, wie beispielsweise die Existenz elektromagnetischer Wellen, können aus den Maxwellgleichungen vorhergesagt und berechnet werden.

Elektromagnetismus als Erklärung für Kräfte und Erscheinungen im Alltag

Als physikalische Grundkräfte existieren neben dem Elektromagnetismus und den damit verbundenen Kräften nur noch die Gravitation und Kernkräfte. Alle Erscheinungen in unserer Welt können durch diese Kräfte erklärt werden. Es ist dabei bemerkenswert, dass fast alle Kräfte und Erscheinungen, die wir im Alltag beobachten, elektromagnetischer Natur sind. Nur die Kräfte der Atomenergie sind merkliche Kernkräfte und die Anziehung der Körper durch die Erde sowie die Bewegung der Sterne, Planeten und Monde am Himmelsfirmament sind Erscheinungen der Gravitation.

In der Elektrodynamik werden die Theorien von Magnetismus und Elektrizität vollständig behandelt. Es ist dabei erstaunlich, wie die Elektrodynamik in der Physik herangezogen wird, um verschiedenste Erscheinungen zu erklären, die zunächst gar nicht deutlich als elektrische oder magnetische Phänomene erkennbar sind.

Die Stabilität der Materie selbst erklärt sich überwiegend durch Elektromagnetismus. In den Atomen umkreisen negativ geladene Elektronen den positiv geladenen Atomkern.

Härte, Farbe, Glanz, Form, Wärmeleitfähigkeit und viele andere Eigenschaften der Materie können über elektromagnetische Kräfte erklärt werden. Sämtliche messbare Energiestrahlung in unserer Umwelt (außer Teilchenstrahlen) sind elektromagnetische Wellen wie Radiowellen, Handystrahlen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht- und Röntgenstrahlung. Sie unterscheiden sich nur durch ihre unterschiedlichen Wellenlängen.

Kennt man einige wenige Materialparameter, so kann die Farbe, die elektrische Leitfähigkeit, die Reflexion an der Oberfläche, die Lichtdurchlässigkeit eines Stoffes oder die Brechung des Lichtes an der Oberfläche exakt berechnet werden. Dies gilt dabei nicht nur für Licht, sondern auch für Radiowellen, Röntgenstrahlung und alle anderen elektromagnetischen Wellen.

Ein grundlegendes Verständnis des Elektromagnetismus ist deshalb nicht nur bei der Entwicklung elektronischer Schaltkreise hilfreich, sondern kann die verschiedenartigsten Phänomene in unserer Umgebung erklären.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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