Die Erklärung für das Auftreten elektromagnetischer Wellen verdanken wir Maxwell. Der berühmte Physiker wurde 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. Nach dem Studium erhielt er eine Professur in London. In seinem Werk „Abhandlung 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 umfasste. Damit waren die theoretischen Voraussetzungen für die fast 30 Jahre später gelungene Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch Hertz geschaffen. Die Maxwell’sche Theorie steht auf dem Standpunkt Faradays, der in den elektrischen 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 Sprache der Felder übersetzt: Ladungen rufen in ihrer Umgebung elektrische Felder hervor, die auf andere Ladungen wirken. Maxwell deutete das Faraday’sche Induktionsgesetz in analoger Weise. Wenn sich der magnetische Fluss innerhalb einer Drahtschleife ändert, dann wird Spannung induziert (46.1). 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 Induktionsgesetzes 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 Oersteds 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 veränderliche elektrische Feld des Kondensators sollte also von magnetischen Feldlinien umgeben sein. Dies ist das zweite Maxwell’sche Feldgesetz (46.3). Während sich ein elektrisches Feld ändert, ist es von ringförmig geschlossenen magnetischen Feldlinien umgeben. Damit besteht eine Symmetrie zwischen elektrischem und magnetischem Feld (46.2 und 46.4). 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. In der theoretischen Physik spricht man von insgesamt vier Maxwell-Gleichungen, die in Form von Differenzialgleichungen formuliert wurden. Sie beschreiben mathematisch die Phänomene des Elektromagnetismus. Die vollständige Form dieser Gleichungen übersteigt jedoch sowohl den Umfang des Schulunterrichts als auch den dieses Buches. Maxwell’sche Feldgesetze 46.1 Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Drahtschleife oder Spule, so wird in ihr elektrische Spannung induziert. Es muss dort also geschlossene elektrische Feldlinien geben, welche die Ladungen im Draht entsprechend beschleunigen. I Draht N S E 46.2 Die elektrischen Feldlinien rund um ein sich änderndes Magnetfeld. E E B B B B nimmt zu nimmt ab 46.3 Während der Kondensator geladen wird, treten ringförmig geschlossene magnetische Feldlinien auf, welche den Strom umgeben. Maxwell vermutete, dass diese Feldlinien auch rund um das veränderliche elektrische Feld im Kondensator existieren. 46.4 Die magnetischen Feldlinien rund um ein sich änderndes elektrisches Feld. nimmt zu nimmt ab 46 4 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Wellen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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