Sexl Physik 7, Schulbuch

107 | Maxwell’sche Feldgesetze I Draht N S E 107.1 Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Drahtschleife, so wird in ihr eine elektrische Spannung induziert. Es muss dort also geschlossene elektrische Feldlini- en geben, welche die Ladungen im Draht entsprechend beschleunigen. E E B B B B nimmt zu nimmt ab 107.2 Die elektrischen Feldlinien rund um ein sich änderndes Magnetfeld. 107.3 Während der Kondensator geladen wird, treten ringförmig geschlossene mag- netische Feldlinien auf, welche den Strom umgeben. Maxwell vermutete, dass diese Feldlinien auch rund um das veränderliche elektrische Feld im Kondensator existieren. nimmt zu nimmt ab 107.4 Die magnetischen Feldlinien rund um ein sich änderndes elektrisches Feld. Die Erklärung für das Auftreten elektromagnetischer Wellen verdanken wir J aMeS c lerk M axwell . Der berühmte Physiker wurde am 13. Juni 1831 in Edinburgh geboren und starb mit nur 48 Jahren in Cambridge. Bereits als fünfzehnjähriger Schüler legte Maxwell der Edinburgher Royal Society seine erste wissenschaftliche Arbeit „Über das mechanische Zeichnen von Ovalen“ vor. Sein Studium der Mathema- tik und Physik absolvierte Maxwell an den Universitäten Edinburgh und Cambridge. 1860 folgte Maxwell einer Berufung nach London an das King’s College, um dort eine Hochschullehrertätigkeit als Professor für Physik und Astronomie aufzuneh- men. Dort schrieb er sein berühmtes Werk „Abhandlung über Elektrizität und Mag­ netismus“, entwarf ein mechanisches Modell des elektrischen Feldes und lieferte in seiner Arbeit „Dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“ eine voll- ständige mathematische Formulierung ( Maxwell’sche Gleichungen ), die auch die elektromagnetische Lichttheorie umfasste. Damit waren die theoretischen Voraus- setzungen für die fast 25 Jahre später gelungene Entdeckung der elektromagneti- schen Wellen durch h einrich h ertz (1857–1894) geschaffen. Die Maxwell’sche Theorie steht auf dem Standpunkt f araday s, der in den elekt- rischen und magnetischen Feldern Grundelemente der Naturbeschreibung sieht. Die Maxwell’schen Feldgleichungen sind die Gesetze für die Veränderung dieser Felder, also ihre Bewegungsgleichungen. Sie treten gleichberechtigt neben die Grundgesetze der Mechanik. Das erste Feldgesetz Das Auftreten von Kräften zwischen Ladungen wurde von Faraday in die Spra- che der Felder übersetzt: Ladungen rufen in ihrer Umgebung elektrische Felder hervor, die auf andere Ladungen wirken. Dadurch war Faraday in der Lage, die geheimnisvolle Fernwirkung aus der Physik zu eliminieren. Maxwell deutete das Faraday’sche Induktionsgesetz in analoger Weise. Ändert sich der magnetische Fluss innerhalb einer Drahtschleife, so wird eine Spannung induziert ( 107.1 ). Im Auftreten dieser Spannung sah Maxwell einen Hinweis auf ein ringförmi- ges elektrisches Feld, welches das sich ändernde Magnetfeld umgibt. Dieses Feld weist geschlossene Feldlinien auf. Dadurch unterscheidet es sich grundlegend vom elektrostatischen Feld. Die Formulierung des Induktionsgesetzes in der Spra- che der Felder ist das erste Maxwell’sche Feldgesetz. Während sich ein Magnetfeld ändert, ist es von ringförmig geschlossenen elektrischen Feldlinien umgeben. Das zweite Feldgesetz Der erste Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus war o erSted s Entdeckung, dass jeder elektrische Strom von geschlossenen magnetischen Feld- linien umgeben ist. Auch in einem Schwingkreis gibt es diese Feldlinien. Nur an einer Stelle des Schwingkreises scheinen sie zu fehlen, nämlich rund um den Kondensator, in dem das elektrische Feld allmählich zusammenbricht. Maxwell postulierte, dass auch rund um das veränderliche elektrische Feld des Kondensa- tors die gleichen Feldlinien auftreten wie um den Strom. Das veränderliche elek- trische Feld des Kondensators sollte also von magnetischen Feldlinien umgeben sein. Dies ist das zweite Maxwell’sche Feldgesetz ( 107.3 ). Während sich ein elektrisches Feld ändert, ist es von ringförmig geschlossenen magnetischen Feldlinien umgeben. Damit ist Symmetrie zwischen elektrischem und magnetischem Feld hergestellt ( 107.2 und 107.4 ). Nicht nur Ströme, sondern auch veränderliche elektrische Felder erzeugen magnetische Wirbelfelder. Veränderliche Magnetfelder erzeugen elektrische Wirbelfelder . Aus den Feldgesetzen konnte Maxwell also die Existenz elektromagnetischer Wellen vorhersagen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv