Die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus

Elektrizität und Magnetismus sind getrennte, jedoch miteinander verbundene Phänomene, die mit der elektromagnetischen Kraft verbunden sind. Zusammen bilden sie die Grundlage für den Elektromagnetismus, eine Schlüsseldisziplin der Physik.

Key Takeaways: Elektrizität und Magnetismus

• Elektrizität und Magnetismus sind zwei verwandte Phänomene, die durch die elektromagnetische Kraft erzeugt werden. Zusammen bilden sie Elektromagnetismus.
• Eine sich bewegende elektrische Ladung erzeugt ein Magnetfeld.
• Ein Magnetfeld induziert eine elektrische Ladungsbewegung und erzeugt einen elektrischen Strom.
• Bei einer elektromagnetischen Welle stehen das elektrische Feld und das magnetische Feld senkrecht zueinander.

Mit Ausnahme des Verhaltens aufgrund der Schwerkraft ist fast jedes Auftreten im täglichen Leben auf die elektromagnetische Kraft zurückzuführen. Es ist verantwortlich für die Wechselwirkungen zwischen Atomen und den Fluss zwischen Materie und Energie. Die anderen fundamentalen Kräfte sind die schwachen und starken Kernkräfte, die den radioaktiven Zerfall und die Bildung von Atomkernen steuern.

Da Elektrizität und Magnetismus unglaublich wichtig sind, ist es eine gute Idee, mit einem grundlegenden Verständnis dessen zu beginnen, was sie sind und wie sie funktionieren.

Grundprinzipien der Elektrizität

Elektrizität ist das Phänomen, das mit stationären oder sich bewegenden elektrischen Ladungen verbunden ist. Die Quelle der elektrischen Ladung könnte ein Elementarteilchen, ein Elektron (das eine negative Ladung aufweist), ein Proton (das eine positive Ladung aufweist), ein Ion oder ein größerer Körper sein, der ein Ungleichgewicht aus positiver und negativer Ladung aufweist. Positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig an (z. B. werden Protonen von Elektronen angezogen), während sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen (z. B. stoßen Protonen andere Protonen und Elektronen andere Elektronen ab).. 

Bekannte Beispiele für Elektrizität sind Blitzschlag, elektrischer Strom aus einer Steckdose oder Batterie und statische Elektrizität. Übliche SI-Einheiten für Elektrizität sind Ampere (A) für Strom, Coulomb (C) für elektrische Ladung, Volt (V) für Potentialdifferenz, Ohm (Ω) für Widerstand und Watt (W) für Leistung. Eine stationäre Punktladung hat ein elektrisches Feld, aber wenn die Ladung in Bewegung gesetzt wird, erzeugt sie auch ein magnetisches Feld.

Grundprinzipien des Magnetismus

Magnetismus ist definiert als das physikalische Phänomen, das durch die Bewegung elektrischer Ladung erzeugt wird. Auch ein Magnetfeld kann geladene Teilchen dazu bringen, sich zu bewegen, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Eine elektromagnetische Welle (wie Licht) hat sowohl eine elektrische als auch eine magnetische Komponente. Die beiden Komponenten der Welle bewegen sich in die gleiche Richtung, sind jedoch im rechten Winkel (90 Grad) zueinander ausgerichtet.

Wie Elektrizität erzeugt Magnetismus Anziehung und Abstoßung zwischen Objekten. Während Elektrizität auf positiven und negativen Ladungen basiert, sind keine magnetischen Monopole bekannt. Jedes magnetische Teilchen oder Objekt hat einen Nord- und einen Südpol, wobei sich die Richtungen nach der Ausrichtung des Erdmagnetfelds richten. Gleiche Pole eines Magneten stoßen sich gegenseitig ab (z. B. Norden stößt Norden ab), während sich entgegengesetzte Pole anziehen (Norden und Süden anziehen)..

Bekannte Beispiele für Magnetismus sind die Reaktion einer Kompassnadel auf das Erdmagnetfeld, die Anziehung und Abstoßung von Stabmagneten und das Feld um Elektromagnete. Dennoch hat jede sich bewegende elektrische Ladung ein Magnetfeld, so dass die umlaufenden Elektronen der Atome ein Magnetfeld erzeugen; es gibt ein magnetisches Feld, das mit Stromleitungen verbunden ist; und Festplatten und Lautsprecher sind auf Magnetfelder angewiesen, um zu funktionieren. Wichtige SI-Einheiten des Magnetismus sind Tesla (T) für die magnetische Flussdichte, Weber (Wb) für den magnetischen Fluss, Ampere pro Meter (A / m) für die magnetische Feldstärke und Henry (H) für die Induktivität.

Die Grundprinzipien des Elektromagnetismus

Das Wort Elektromagnetismus stammt aus einer Kombination der griechischen Werke elektron, Bedeutung "Bernstein" und Magnetis Lithos, Bedeutung "Magnesian Stein", der ein magnetisches Eisenerz ist. Die alten Griechen waren mit Elektrizität und Magnetismus vertraut, betrachteten sie jedoch als zwei getrennte Phänomene.

Die Beziehung als Elektromagnetismus bekannt wurde nicht beschrieben, bis James Clerk Maxwell veröffentlicht Eine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus Maxwells Arbeit umfasste zwanzig berühmte Gleichungen, die seitdem in vier partiellen Differentialgleichungen zusammengefasst wurden. Die durch die Gleichungen dargestellten Grundkonzepte lauten wie folgt: 

1. Wie elektrische Ladungen abstoßen, und im Gegensatz zu elektrischen Ladungen anziehen. Die Anziehungs- oder Abstoßungskraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen.
2. Magnetpole existieren immer als Nord-Süd-Paare. Gleiche Stangen stoßen Gleiches ab und ziehen Andersartiges an.
3. Ein elektrischer Strom in einem Draht erzeugt ein Magnetfeld um den Draht. Die Richtung des Magnetfeldes (im oder gegen den Uhrzeigersinn) hängt von der Stromrichtung ab. Dies ist die "Regel für die rechte Hand", bei der die Richtung des Magnetfelds den Fingern Ihrer rechten Hand folgt, wenn Ihr Daumen in die aktuelle Richtung zeigt.
4. Das Bewegen einer Drahtschleife in Richtung eines Magnetfelds oder von diesem weg induziert einen Strom im Draht. Die Richtung des Stroms hängt von der Bewegungsrichtung ab.

Maxwells Theorie widersprach der Newtonschen Mechanik, doch Experimente bestätigten Maxwells Gleichungen. Der Konflikt wurde schließlich durch Einsteins Relativitätstheorie gelöst.

Quellen

• Hunt, Bruce J. (2005). Die Maxwellianer. Cornell: Cornell University Press. S. 165-166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
• Internationale Union für reine und angewandte Chemie (1993). Größen, Einheiten und Symbole in der physikalischen Chemie, 2. Auflage, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. Seiten 14-15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Grundlagen der angewandten Elektromagnetik (6. Aufl.). Boston: Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.