Felder und Kräfte
Beginnen Sie mit dem Coulombschen Gesetz, elektrischen Feldern, dem Gaußschen Gesetz und einfachen Schaltkreisen (Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln).
Elektromagnetismus
Maxwells Gleichungen, elektrische und magnetische Felder, elektromagnetische Wellen und Schaltkreise – die Physik, die jeder modernen Technologie zugrunde liegt.
Übersicht
Elektromagnetismus ist der Zweig der Physik, der elektrische und magnetische Felder, ihre Wechselwirkungen mit Materie und die elektromagnetischen Wellen, zu denen Licht, Radio und Röntgenstrahlen gehören, beschreibt. James Clerk Maxwell vereinte in den 1860er Jahren Elektrizität, Magnetismus und Optik in vier kompakten Gleichungen – eine der größten Errungenschaften in der Geschichte der Wissenschaft.
Das Feld teilt sich in Elektrostatik (stationäre Ladungen), Magnetostatik (konstante Ströme), Elektrodynamik (zeitveränderliche Felder) und das Studium von elektromagnetische Wellen und ihre Wechselwirkungen mit Materie.
Kernkonzepte
Elektrische Felder und Coulombsches Gesetz
Das Coulombsche Gesetz beschreibt die Kraft zwischen zwei stationären Punktladungen: F = kq₁q₂/r². Das elektrische Feld E = F/q quantifiziert die Kraft pro Ladungseinheit an jedem Punkt im Raum, dargestellt als Feldlinien, die von positiven Ladungen weg und in Richtung negativer Ladungen zeigen. Das Gaußsche Gesetz bezieht den gesamten elektrischen Fluss durch eine geschlossene Oberfläche auf die eingeschlossene Ladung.
Magnetfelder und die Lorentzkraft
Bewegte Ladungen erzeugen Magnetfelder, die durch das Biot-Savart-Gesetz und das Ampère-Gesetz beschrieben werden. Das Lorentz-Kraftgesetz F = q(E + v × B) gibt die gesamte elektromagnetische Kraft an, die auf eine Ladung wirkt, die sich in kombinierten elektrischen und magnetischen Feldern bewegt. Magnetische Monopole gibt es nicht – Feldlinien bilden immer geschlossene Schleifen.
Maxwell-Gleichungen
Die vier Gleichungen von Maxwell sind die vollständige klassische Beschreibung des Elektromagnetismus:
- Gaußsches Gesetz: ∇·E = ρ/ε₀ – elektrische Felder weichen von Ladungen ab
- Gaußsches Gesetz für Magnetismus: ∇·B = 0 – keine magnetischen Monopole
- Faradaysches Gesetz: ∇×E = −∂B/∂t – eine Änderung von B induziert E
- Ampère-Maxwell-Gesetz: ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t – Ströme und sich änderndes E erzeugen B
Nimmt man die Drehung der letzten beiden, erhält man die elektromagnetische Wellengleichung, die Wellen vorhersagt, die sich mit c = 1/√(μ₀ε₀) ≈ 3×10⁸ m/s – der Lichtgeschwindigkeit – ausbreiten.
Elektromagnetische Induktion
Faradaysches Gesetz: Ein sich ändernder magnetischer Fluss induziert eine EMF. Das Lenzsche Gesetz gibt seine Richtung vor – im Gegensatz zu der Veränderung, die es verursacht hat. Dies ist das Prinzip von Generatoren, Transformatoren und induktivem Laden. Die Selbstinduktivität beschreibt, wie eine Spule Änderungen ihres eigenen Stroms entgegenwirkt.
Lernpfade
Induktion und Schaltkreise
Behandeln Sie die Gesetze von Faraday und Lenz, Induktivität, Kapazität, Wechselstromkreise und den LC-Oszillator.
Maxwells Theorie
Beherrschen Sie Maxwells Gleichungen in Differentialform, elektromagnetische Wellen und die Verbindung zur speziellen Relativitätstheorie.
Schlüsselartikel
Maxwell-Gleichungen
Eine vollständige Ableitung und physikalische Interpretation aller vier Maxwell-Gleichungen.
Lesen Sie →Der photoelektrische Effekt
Einsteins Erklärung, die die Quantentheorie begründete – Licht als Photonen.
Lesen Sie →Der Aharonov-Bohm-Effekt
Wie elektromagnetische Potentiale Quantenphasen beeinflussen, selbst wenn die Felder Null sind.
Lesen Sie →Der Faraday-Effekt
Magnetfelder drehen die Polarisation des Lichts – eine enge Verbindung zwischen EM und Optik.
Lesen Sie →Der Kerr-Effekt
Wie elektrische Felder den Brechungsindex eines Mediums verändern.
Lesen Sie →Die Plasmafrequenz
Wie freie Elektronen in einem Plasma auf elektromagnetische Wellen reagieren.
Lesen Sie →Verwandte Rechner
Häufig gestellte Fragen
Was beschreiben Maxwells Gleichungen?
Wie elektrische und magnetische Felder durch Ladungen und Ströme erzeugt werden, wie sie interagieren und wie sich verändernde Felder gegenseitig erzeugen – Vorhersage von Licht als elektromagnetische Welle.
Was ist der Unterschied zwischen elektrischem Potential und elektrischem Feld?
E ist ein Kraft-pro-Ladungs-Vektor; V ist eine skalare potentielle Energie pro Ladungseinheit. Sie beziehen sich über E = −∇V.
Warum erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Feld?
Faradaysches Induktionsgesetz: Eine Änderung des magnetischen Flusses induziert eine EMF. Dies treibt Generatoren, Transformatoren und kabelloses Laden an.
Was ist eine elektromagnetische Welle?
Eine gekoppelte Schwingung von E- und B-Feldern, die sich mit c ≈ 3×10⁸ m/s ausbreitet. Alles Licht – Radio-, sichtbare, Röntgenstrahlen – ist elektromagnetische Strahlung.