Elektrodynamik

Die Elektrodynamik beschäftigt sich mit Wechselwirkungen elektrisch geladener Teilchen und elektrischer Ströme. Mit dem elektrischen Feld ruhender Ladungen beschäftigt sich die Elektrostatik, deren Grundlage das Coulumb’sche Gesetz bildet.

Ein sich bewegender geladener Körper umgibt sich zusätzlich zum elektrischen mit einem magnetischen Feld. Die theoretische Grundlage zur Beschreibung elektromagnetischer Felder und deren Wechselwirkung mit elektrischen Ladungen und Strömen bilden die Maxwell-Gleichungen. Da Licht als elektromagnetische Welle aufgefasst wird, bildet die Elektrodynamik auch die Grundlage für die Optik, die sich vor allem mit dem sichtbaren Licht und deren Wechselwirkung mit Materie beschäftigt.

Ladungen und elektrostatisches Feld (Coulomb-Kraft)

Das Coulomb-Gesetz bildet die Grundlage für die Elektrostatik, die sich mit ruhenden Ladungen und deren Feldern beschäftigt. Ein Teilchen kann eine positive, negative oder gar keine Ladung tragen. Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, während Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens sich anziehen.

Die Anziehung aufgrund der Coulomb-Wechselwirkung bildet außerdem die Grundlage für den Zusammenhalt von Atomen und Molekülen zu Festkörpern oder Flüssigkeiten.

Elektrisches Potential & Spannung

Liegt ein konservatives Kraftfeld vor, so lässt sich für dieses Kraftfeld ein Potential definieren. Konservative Kräfte sind solche, die längs eines geschlossenen Weges keine Arbeit verrichten. Eine Fläche, auf der alle Punkte das gleiche Potential haben, wird Äquipotentialfläche genannt.

Die Spannung ist definiert als Potentialdifferenz – auf einer Äquipotentialfläche ist die elektrische Spannung daher stets null.

Bewegte Ladungen: Stromstärke &Kontinuitätsgleichung

Elektrischer Strom bezeichnet den Transport von elektrischen Ladungsträgern. Die Stromstärke ist definiert als Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit durch eine Fläche (etwa den Querschnitt eines Leiters) hindurchtritt. Sie ist eine der SI-Basiseinheiten und wird in Ampere (Einheitenzeichen A) angegeben.

Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße, es lässt sich daher eine Kontinuitätsgleichung formulieren. Diese verknüpft die zeitliche Änderung der räumlichen Ladungsdichte ρ mit der räumlichen Änderung der Stromdichte. Das bedeutet, dass sich die Ladung in einem Gebiet nur dadurch ändern kann, indem Ströme durch die Oberfläche fließen, die das Gebiet umschließt.

Elektrische Schaltungen: Ohm & Kirchhoff

Damit in einem Stromkreis ein elektrischer Strom fließen kann, ist eine Potentialdifferenz (eine Spannung) notwendig. Georg Simon Ohm erkannte, dass der Strom in einem Metalldraht proportional ist zur angelegten Spannung. Der Proportionalitätsfaktor ist der elektrische Widerstand R, der in Ohm angegeben wird.

Die resultierenden Widerstände elektrischer Schaltungen lassen sich durch die Knotenregel und die Maschenregel berechnen, die zusammen als Kirchhoff’sche Gesetze bezeichnet werden.

Kapazität & Induktivität

Ein Kondensator besteht in seiner einfachsten Form aus zwei voneinander isolierten elektrischen Leitern, die jeweils entgegengesetzte elektrische Ladungen tragen. Die Kapazität eines solchen Kondensators gibt an, wie viel Ladung auf einem isolierten Leiter bei einer auftretenden Spannung gespeichert werden kann.

Auf ähnliche Weise kann in einer Spule durch Selbstinduktivität Energie gespeichert werden. Fließt ein Strom durch eine Spule oder Leiterschleife, so wird ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt, das in dieser Spule eine Spannung induziert. In diesem Fall ist das Magnetfeld Träger der gespeicherten Energie, beim Kondensator ist es das (statische) elektrische Feld.

Das magnetische Feld

Magnete und auch elektrische Ströme erzeugen ein Magnetfeld. Wie elektrische lassen sich auch magnetische Felder durch Feldlinien darstellen, die (im Gegensatz zu den elektrischen Feldlinien) geschlossen sind.

Die Größe der Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf bewegte Ladungen wird als magnetische Flussdichte \vec B oder oft nur als B-Feld bezeichnet.

Der magnetische Fluss

Betrachten wir eine Leiterschleife, die sich in einem Magnetfeld befindet, so ist der magnetische Fluss proportional zur Anzahl der Feldlinien, die durch die von der Leiterschleife umschlossenen Fläche treten.

Anders als der Name vermuten lässt, handelt es sich beim magnetischen Fluss nicht um ein bewegtes Magnetfeld, sondern um ein stationäres Feld, deren Feldlinien durch eine Fläche treten. Ändert sich das Magnetfeld oder die Orientierung der Fläche zu den Feldlinien, so ändert sich auch der magnetische Fluss.

Elektrizität und Magnetismus: Induktion & Lorentzkraft

Bewegt sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld, so wirkt darauf die Lorentzkraft.

Genauso wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungsträger eines Leiters, der durch ein Magnetfeld bewegt wird. Dadurch kommt es innerhalb des Leiters zu einer Ladungstrennung und infolgedessen zu einer Spannung, der sogenannten Induktionsspannung.

Dia-, Para- und Ferromagnetismus

Wird ein Festkörper in ein Magnetfeld gebracht, so gibt es verschiedene Arten, wie die magnetischen Momente innerhalb des Körpers auf das äußere Feld reagieren. Je nachdem, wie sich die Elementarmagnete des Festkörpers zum äußeren Feld ausrichten, wird vor allem zwischen dia-, para- und ferromagnetischen Materialen unterschieden.

Elektromagnetische Wellen

James C. Maxwell erkannte, dass ein sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld hervorruft, das wiederum das elektrische Feld beeinflusst. Auf diese Weise entstehen gekoppelte elektrische und magnetische Wellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können. Die Unterscheidung solcher elektromagnetischer Wellen nach deren Wellenlänge bzw. Frequenz resultiert im elektromagnetischen Spektrum, zu dem etwa Röntgenstrahlung, Mikrowellen, aber auch das sichtbare Licht gehören.

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