Was ist elektromagnetische Kraft?

Die ganze Komplexität des Universums um uns herum beruht letztendlich auf vier fundamentalen Kräften: der Schwerkraft, der starken Kernkraft, der schwachen Kernkraft und dem Elektromagnetismus. Elektromagnetismus kann ein schwierig zu studierendes Thema sein, aber die Grundlagen dessen, was die Kraft ist und wie sie funktioniert, sind ziemlich einfach, und insbesondere das Lorentz-Kraftgesetz sagt Ihnen die wichtigsten Punkte, die Sie benötigen verstehen. Kurz gesagt bewirkt die elektromagnetische Kraft, dass unterschiedliche Ladungen – positive und negative – sich gegenseitig anziehen und ungleiche Ladungen abstoßen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Elektromagnetismus ist eine der vier fundamentalen Kräfte im Universum. Es beschreibt, wie geladene Teilchen auf elektrische und magnetische Felder reagieren, sowie die grundlegenden Zusammenhänge zwischen ihnen. Elektromagnetische Kraft wird wie alle Kräfte in Newton gemessen.

Elektrostatische Kräfte werden durch das Coulomb-Gesetz beschrieben, und sowohl elektrische als auch magnetische Kräfte werden durch das Lorentz-Kraftgesetz abgedeckt. Die vier Gleichungen von Maxwell liefern jedoch die detaillierteste Beschreibung des Elektromagnetismus.

Der Begriff Elektromagnetismus kombiniert die elektrischen und magnetischen Kräfte in einem einzigen Wort, da beide Kräfte auf das gleiche zugrunde liegende Phänomen zurückzuführen sind. „Geladene“ Teilchen erzeugen elektrische Felder und positive und negative Ladungen reagieren unterschiedlich auf dieses Feld, was die beobachtete Kraft erklärt. Bei elektrischen Wechselwirkungen stoßen positiv geladene Teilchen (wie Protonen) positiv geladene Teilchen weg und ziehen negativ geladene (wie Elektronen) an und umgekehrt. Elektrische Feldlinien breiten sich von positiven elektrischen Ladungen direkt nach außen aus, und dies schiebt Teilchen in Richtung – oder in die entgegengesetzte Richtung – der Feldlinien.

Magnetismus kommt von Magnetfeldern, die durch bewegte Ladungen erzeugt werden. Teilchen reagieren auf magnetische Felder nicht so wie auf elektrische Felder. Magnetische Feldlinien bilden Kreise ohne Anfang und Ende. Als Reaktion darauf bewegen sich die Teilchen in eine Richtung senkrecht zu ihrer Bewegung und der Feldlinie. Wie bei elektrischen Kräften bewegen sich positiv geladene Teilchen und negativ geladene in entgegengesetzte Richtungen.

Die elektromagnetische Kraft ist die zweitstärkste Kraft in der Natur. Die starke Kernkraft ist die stärkste, elektromagnetische Kräfte sind 137-mal weniger stark, die schwache Kernkraft ist millionenfach kleiner und die Schwerkraft ist viel, viel kleiner als der Rest (ca × 10⁻³⁹ mal schwächer als die starke Kernkraft).

„Elektrostatische Kraft“ bezieht sich auf die elektrische Kraft, die durch stationäre Ladungen erzeugt wird. Es wird durch eine einfache Gleichung beschrieben, die als Coulombsches Gesetz bekannt ist. Darin heißt es:

Hier,Fbedeutet Kraft,kist eine Konstante,q​₁ undq​₂ sind die Gebühren, undrist der Abstand zwischen ihnen. Größere Ladungen erzeugen eine größere Kraft und mehr Trennung schwächt die Stärke der Kraft. Wie alle Kräfte wird die elektromagnetische Kraft in Newton (N) gemessen. Die Konstantekhat einen bestimmten Wert, 9 × 10⁹ Nm² / C². Die Ladung wird in Coulomb (C) gemessen und Sie geben das Vorzeichen der Ladung (+ oder –) zusammen mit der Stärke ein, sodass die Gleichung einen positiven Wert für die Abstoßung und einen negativen für die Anziehung hat.

Das Lorentzkraftgesetz beinhaltet sowohl magnetische als auch elektrische Kräfte und ist daher eine der besten Darstellungen der elektromagnetischen Kraft. Das Gesetz besagt:

Wo​E​ist das Magnetfeld,​v​die Geschwindigkeit des Teilchens ist und​B​ist das Magnetfeld. Diese sind fett gedruckt, weil es sich um Vektoren handelt, die sowohl eine Richtung als auch eine Stärke haben, und die×​ Symbol ist eher ein Vektorprodukt als eine einfache Multiplikation. Die Gleichung sagt uns, dass die Gesamtkraft die Summe des elektrischen Feldes und des Vektorprodukts der Geschwindigkeit des Teilchens und des magnetischen Feldes ist, alles multipliziert mit der Ladung des Teilchens. Das Vektorprodukt erzeugt eine Kraft in einer Richtung senkrecht zu beiden, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.

Elektromagnetismus zeigt sich in vielen Formen im Alltag und in der Physik. Atome werden durch die elektromagnetische Anziehung zwischen den Protonen im Kern und den ihn umkreisenden Elektronen zusammengehalten. Licht ist eine elektromagnetische Welle, bei der ein oszillierendes elektrisches Feld ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt, das wiederum ein elektrisches Feld erzeugt und so weiter. Dies wird durch die Maxwell-Gleichungen (vier Gleichungen, die alles über den Elektromagnetismus in der Sprache der Vektorrechnung erklären) vorhergesagt, einschließlich der charakteristischen Geschwindigkeit, mit der er sich fortbewegt.

Elektromagnetismus ist auch verantwortlich für die Elektrizität, die Ihren Bildschirm und das Gerät, auf dem Sie lesen, mit Strom versorgt, wobei der Elektronenfluss entlang elektrischer Feldlinien die Energie liefert. Diese Beispiele kratzen nur an der Oberfläche des breiten Spektrums von Phänomenen, die durch den Elektromagnetismus erklärt werden.