Sexl Physik 7, Schulbuch

Maxwell’sche Feldgesetze Die Erklärung für das Auftreten elektromagnetischer Wellen verdanken wir J AMES C LERK M AXWELL . Der berühmte Physiker wurde am 1831 in Edinburgh ge- boren und starb mit nur 48 Jahren in Cambridge. Bereits als fünfzehnjähriger Schüler legte Maxwell der Edinburgher Royal Society seine erste wissenschaft- liche Arbeit „Über das mechanische Zeichnen von Ovalen“ vor. Nach dem Stu - dium erhielt er eine Professur in London. In seinem berühmten Werk „Abhand- lung über Elektrizität und Magnetismus“ entwarf er ein mechanisches Modell des elektrischen Feldes und lieferte in seiner Arbeit „Dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“ eine vollständige mathematische Formulierung ( Maxwell’sche Gleichungen ), die auch die elektromagnetische Lichttheorie um- fasste. Damit waren die theoretischen Voraussetzungen für die fast 25 Jahre später gelungene Entdeckung der elektromagnetischen 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. Wenn sich der magneti- sche Fluss innerhalb einer Drahtschleife ändert, dann wird Spannung induziert ( 39.1 ). Im Auftreten dieser Spannung sah Maxwell einen Hinweis auf ein ringförmiges elektrisches Feld, welches das sich ändernde Magnetfeld umgibt. Dieses elektrische Feld hat geschlossene Feldlinien. Dadurch unterscheidet es sich grundlegend vom elektrostatischen Feld. Die Formulierung des Induktions- gesetzes in der Sprache 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 Feldlinien 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 Kondensators die gleichen Feldlinien auftreten wie um den Strom. Das verän- derliche elektrische Feld des Kondensators sollte also von magnetischen Feldli- nien umgeben sein. Dies ist das zweite Maxwell’sche Feldgesetz ( 39.3 ). Während sich ein elektrisches Feld ändert, ist es von ringförmig geschlossenen magnetischen Feldlinien umgeben. Damit besteht eine Symmetrie zwischen elektrischem und magnetischem Feld ( 39.2 und 39.4 ). 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. I Draht N S E 39.1 Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Drahtschleife, so wird in ihr elek - trische Spannung induziert. Es muss dort also geschlossene elektrische Feldlinien geben, welche die Ladungen im Draht ent- sprechend beschleunigen. E E B B B B nimmt zu nimmt ab 39.2 Die elektrischen Feldlinien rund um ein sich änderndes Magnetfeld. 39.3 Während der Kondensator geladen wird, treten ringförmig geschlossene magne- tische Feldlinien auf, welche den Strom um- geben. Maxwell vermutete, dass diese Feld- linien auch rund um das veränderliche elektrische Feld im Kondensator existieren. nimmt zu nimmt ab 39.4 Die magnetischen Feldlinien rund um ein sich änderndes elektrisches Feld. 39 | ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv