Bist Du im Besitz eines Smartphones oder Computers? Hast Du in der Küche eine Mikrowelle oder einen Induktionsherd stehen? Falls ja, dann nutzt Du wahrscheinlich oft elektromagnetische Felder. Diese Felder sind somit für jede Person im Alltag nicht wegzudenken. Doch was sind elektromagnetische Felder?
Elektromagnetische Felder Physik
Um elektromagnetische Felder wirklich nachvollziehen zu können, stellt sich zunächst die Frage: Was sind eigentlich Felder und welche Bedeutung haben sie in der Physik?
Felder in der Physik
Unter dem Begriff Feld ist keine große Fläche oder Ähnliches gemeint. Felder sind in der Physik in vielen Teilgebieten vertreten. Sowohl in der Elektrizitätslehre als auch im Magnetismus und der Mechanik sind Felder zur Beschreibung von physikalischen Phänomenen unverzichtbar.
In einem Feld ist jedem Raumpunkt ein bestimmter Wert zugeordnet. Dieser Wert wird durch die Feldstärke und die Ausrichtung des Feldes beschrieben. Prinzipiell gilt für ein Feld:
\[ \text{Feldstärke} = \frac{\text{Kraft auf Probekörper}}{\text{feldrelevante Eigenschaft des Probekörpers}} \]
Wenn die Feldstärke an jedem Raumpunkt identisch ist, wird von einem homogenen Feld gesprochen. Sollte sich die Feldstärke innerhalb des Feldes ändern, ist das Feld inhomogen.
Ein Feld, von dem Du möglicherweise in der Schule schon mal gehört hast, ist das Gravitationsfeld.
Das Gravitationsfeld ist der Grund dafür, dass Du bei einem Sprung in die Luft wieder zurück auf dem Boden landest. Die Ursache für das Gravitationsfeld ist eine Kraft, die Masse in Richtung Erde drückt.
Mathematisch beschrieben wird das Gravitationsfeld dabei wie folgt:
\[ \vec{g} = \frac{\vec{F_G}}{m} \]
Hierbei ist \(\vec{g}\) die Feldstärke des Gravitationsfelds und \(\vec{F_G}\) die Gravitationskraft auf einen Körper mit Masse \(m\).
Das Prinzip des Feldes wird besonders in der Elektrizitätslehre und im Magnetismus vielfältig zur Beschreibung von physikalischen Erscheinungen verwendet. Doch wie wird das Prinzip auf diese Teilgebiete angewendet?
Elektrisches Feld
Befinden sich zwei Ladungsträger in unmittelbarer Nähe, dann wechselwirken sie miteinander. Falls beide negativ oder beide positiv geladen sind, stoßen sie sich ab. Sollte die eine Ladung negativ und die andere Ladung positiv sein, dann ziehen sie sich an.
Diese beschriebene Kraft ist auch bekannt als die Coulomb-Kraft. Die Kraft wirkt infolge eines elektrischen Feldes.
Ein Elektrisches Feld, kurz E-Feld, ist ein besonderer Zustand des Raums um eine elektrische Ladung. Das Feld vermittelt dabei die Krafteinwirkung auf andere Ladungen.
Die elektrische Feldstärke \(\vec{E}\) beschreibt dabei die Stärke und Richtung des Feldes an jedem Punkt. Definiert ist die Feldstärke \(\vec{E}\) wie folgt:
\[ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q} \]
Dabei wird die Coulomb-Kraft durch \(\vec{F}\) und die Ladung durch \(q\) beschrieben. Das elektrische Feld wird mithilfe von Feldlinien modelliert und veranschaulicht.
Die elektrische Feldstärke hat die Einheit Newton pro Coulomb (N/C) oder auch Volt pro Meter (V/m):
\[ [\vec{E]} = \frac{N}{C} = \frac{V}{m} \]
Wie die Feldlinien des elektrischen Feldes verlaufen, kommt auf die Entfernung der beiden Ladungsträger sowie auf die Art der Ladung an.
In Abbildung 1 werden die Feldlinien zum besseren Verständnis illustriert. Hier siehst Du beispielhaft das elektrische Feld einer positiven sowie negativen Punktladung. Weitere Beispiele zu elektrischen Feldlinien findest Du in der Erklärung, in der das elektrische Feld genauer behandelt wird.
Elektromagnetische Felder abschirmen
Elektrische Felder lassen sich aber auch abschirmen. Wenn Du beispielsweise draußen mit dem Auto unterwegs bist und plötzlich ein Gewitter aufzieht, dann musst Du Dir im Allgemeinen auch keine Sorgen um Deine Sicherheit machen.
Das Auto leitet nämlich beim Fall eines Einschlags die Blitze entlang der Autooberfläche ab, sodass Dein Körper unbeschadet bleibt. Das Prinzip ist auch als der Faradaysche Käfig bekannt. Die Funktionsweise der Abschirmung findest Du in der Erklärung Faradayscher Käfig heraus.
Eine spannende Anwendung eines Faradayschen Käfigs ist die Mikrowelle, besonders da sie in fast jedem Haushalt aufzufinden ist. Wie eine Mikrowelle funktioniert, Felder abschirmt und mit welchem Prinzip sie Dein Essen erwärmt, ist beschrieben in der Erklärung Mikrowelle Physik.
Mit dem Faradayschen Käfig werden aber nicht nur elektrische, sondern auch manche magnetische Felder abgeschirmt.
Magnetische Felder
Die Existenz von Magnetfeldern war schon zu Zeiten der Antike bekannt. Diese nutzten zur Orientierung einen Kompass, der sie in Richtung Nord- und Südpol der Erde führte.
Magnetfelder entstehen entweder durch Permanentmagnetismus oder Elektromagnetismus. Der Elektromagnetismus wiederum besagt, dass eine bewegte Ladung ein Magnetfeld besitzt.
Die magnetische Flussdichte \(\vec{B}\) ist ein Maß für die Auswirkung des Magnetfeldes an einer gewissen Stelle. Aufgrund dessen wird das Magnetfeld auch mit B-Feld abgekürzt.
Die Flussdichte \(\vec{B}\) kann im Abstand \(\vec{r}\) um einen Leiter, durch den der Strom \(\vec{I}\) fließt, unter Betrachtung der magnetischen Permeabilität \(\mu_r\) (magnetische Leitfähigkeit) wie folgt definiert werden:
\[\vec{B} = \mu_0 \cdot \mu_r \cdot \frac{\vec{I}}{{2 \cdot \pi \cdot \vec{r}}}\]
Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist Tesla \(T\).
\[ [B] = T = \frac{Wb}{m^2} = \frac{kg}{A \cdot s^2}\]
\(\mu_0\) ist die magnetische Feldkonstante mit dem Wert:
\[\mu_0 = 1,257 \cdot 10^{-7} \frac{N}{A^2}\]
In Abbildung 2 ist beispielhaft eine Illustration von einem Magnetfeld samt den Feldlinien dargestellt. Wichtig ist, dass magnetische Feldlinien weder einen Anfang noch ein Ende haben.
Sie kreuzen sich auch nicht und sind immer in sich geschlossen. Falls Du mehr über die Grundlagen zu dem Thema lernen möchtest, findest Du mehr in der Erklärung zum Magnetfeld.
Magnetfelder können im Alltag sehr nützlich oder sogar lebensrettend sein. Sie werden beispielsweise bei der Magnetresonanztomografie (MRT) verwendet, um das Gehirn zu analysieren und mögliche Komplikationen am Schädel zu erkennen. Wie genau das funktioniert, findest Du in der Erklärung MRT Physik.
Auch ein Elektromotor in Autos verwendet Magnetfelder. Dieser besitzt nämlich einen Elektromagnet, um aus Strom eine mechanische Arbeit zu erzeugen.
Eine wichtige Erkenntnis über Magnetfelder ist, dass die Änderung eines Magnetfeldes ein elektrisches Feld erzeugt. Das Prinzip ist auch bekannt als Elektromagnetische Induktion und beschreibt das Phänomen des Elektromagnetismus.
Elektromagnetische Felder – Elektromagnetische Induktion
Im Jahre 1831 entdeckten die zwei bekannten Physiker Michael Faraday und Joseph Henry ein Phänomen, das heute als Elektromagnetische Induktion bekannt ist.
Elektromagnetische Induktion beschreibt die Entstehung eines elektrischen Feldes aufgrund der zeitlichen Änderung eines Magnetfeldes. Dabei wird eine Spannung im Leiter erzeugt, die auch als Induktionsspannung bekannt ist.
Die Induktionsspannung \(U\) kann anhand einer Änderung des magnetischen Flusses \(\phi\) in einer gewissen Zeit \(t\) beschrieben werden:
\[U = - \frac{d\phi}{dt}\]
Das heißt, die negative zeitliche Änderung des magnetischen Flusses \(\phi\) induziert eine elektrische Spannung \(U\). Das negative Vorzeichen bei der Induktionsspannung bedeutet, dass die Induktion immer entgegen ihrer Ursache wirkt. Dieses Phänomen ist auch bekannt als die Lenzsche Regel.
Induktion muss aber nicht zwangsweise durch eine Magnetfeldänderung verursacht werden. Auch die Änderung eines elektrischen Feldes kann eine Spannung induzieren. Diese Art von Induktion wird Selbstinduktion genannt.
Wie genau die beschriebenen Mechanismen in Leitern und Spulen funktionieren, zeigen Dir die Erklärungen Elektromagnetische Induktion und Selbstinduktion.
Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion brachte schon in der Vergangenheit große Fortschritte in der Physik. Wissenschaftler konnten unter anderem dadurch die Masse eines Elektrons bestimmen. Für das Experiment wurde ein sogenanntes Fadenstrahlrohr genutzt. Wie genau sie das geschafft haben, erfährst Du in der Erklärung zum Fadenstrahlrohr.
Das elektrische und magnetische Feld ist jedoch nicht nur durch die Induktion miteinander verknüpft. Die beiden Felder können auch zusammen als elektromagnetisches Feld beschrieben werden. Doch was ist ein elektromagnetisches Feld?
Elektromagnetische Felder Definition
Elektromagnetische Felder gehören dem Teilgebiet des Elektromagnetismus an. Hier wird also die Wechselwirkung zwischen elektrischem und magnetischen Feld relevant.
Bei einem elektromagnetischen Feld stehen die elektrische und magnetische Feldkomponente in Relation zueinander. Diese sind jeweils senkrecht sowohl zueinander als auch zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet.
Du kannst elektromagnetische Felder also praktisch als Kombination des magnetischen und elektrischen Feldes sehen. Elektromagnetische Felder breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit \(c\) wellenförmig im Raum aus. Abbildung 3 illustriert zum Verständnis die modellierte Zusammenstellung einer elektromagnetischen Welle.
Abbildung 3: Darstellung einer elektromagnetischen Welle
Das blau gekennzeichnete E-Feld schwingt in vertikaler Richtung und das rot markierte B-Feld senkrecht dazu in horizontaler Ebene der elektromagnetischen Welle.
Wie bei mechanischen Wellen besitzt auch eine elektromagnetische Welle eine bestimmte Wellenlänge \(\lambda\) sowie Frequenz \(f\). Definiert und beschrieben werden die Größen von elektromagnetischen Wellen wie bei mechanischen Wellen.
Wenn Du Dir nicht mehr sicher bist, wie die grundlegenden Eigenschaften von Wellen beschrieben sind, kannst Du Dein Wissen in der Erklärung zu dem Thema auffrischen.
Die wahrscheinlich bekannteste Form von elektromagnetischen Feldern ist das Licht. Das Verhalten von Licht als Welle wird in der eigenständigen Erklärung näher erläutert.
Jetzt stellt sich jedoch noch die folgende Frage: Wie entstehen elektromagnetische Felder eigentlich und wodurch werden sie erzeugt?
Elektromagnetische Felder Maxwell'sche Theorie
Lange wurde im 19. Jahrhundert darüber gerätselt, wie denn elektromagnetische Felder überhaupt entstehen. Da jedoch bekannt war, dass elektrische und magnetische Felder einander beeinflussen, kam wenig später die Erkenntnis.
Die Ursache der Entstehung von elektromagnetischen Feldern sind beschleunigte Ladungsträger.
Prinzipiell gilt, dass Ladungen immer ein elektrisches Feld besitzen und bewegte Ladungen immer ein Magnetfeld erzeugen. Werden die Ladungen nun beschleunigt, verändert sich das magnetische und infolgedessen das elektrische Feld. Aufgrund der Veränderung und Existenz beider Komponenten entsteht letztlich ein elektromagnetisches Feld.
Beschleunigen definiert nicht nur die zeitlich immer schneller werdende Bewegung der Ladungsträger. Auch das Abbremsen eines Ladungsträgers gilt als (negatives) Beschleunigen und erzeugt somit ebenso ein elektromagnetisches Feld.
James Clerk Maxwell definierte im 19. Jahrhundert vier Gleichungen, die die Zusammenhänge zwischen dem elektrischen und magnetischen Feld beschreibt. Diese sind heute als die Maxwell Gleichungen bekannt.
Zur Beschreibung elektromagnetischer Felder sind die Maxwell Gleichungen unabdingbar. Alles Weitere zum Thema Maxwell Gleichungen wird in der zugehörigen Erklärung beschrieben.
Elektromagnetische Felder findest Du praktisch überall in der Natur. Ohne sie wäre das moderne Leben wie Du es heute kennst unvorstellbar. Doch wo und in welcher Form kommen elektromagnetische Felder vor?
Elektromagnetische Felder im Alltag
Wie am Anfang bereits erwähnt, war die Entdeckung elektromagnetischer Felder nicht nur für die Physik ein Meilenstein. Auch die heutige verwendete Technik wäre nicht annähernd so fortschrittlich, wenn es diese Entdeckung nie gegeben hätte. Doch wo werden elektromagnetische Felder gebraucht?
Elektromagnetische Felder – Radiosender und Empfänger
Hast Du Dich schon einmal gefragt, woher eigentlich das Signal Deines Radios kommt? Die Übertragung von Radiosendern folgt durch Ausstrahlung der elektromagnetischen Felder, genau gesagt der Radiowellen. Diese werden von Deinem Radio empfangen und ausgegeben.
Nicht nur Radio- und Fernsehprogramme können dadurch übertragen werden. Auch Telefongespräche und andere Datensignale werden mithilfe von elektromagnetischen Feldern ausgesendet.
Die Übertragung von Information erfolgt anhand von Satelliten und Antennen, die bestimmte Signale aussenden, die durch Endgeräte empfangen werden können.
Elektromagnetische Felder – Braunsche Röhre
Im Alltag findest Du elektromagnetische Felder auch in alten Röhrenfernsehern. Denn im Inneren des Fernsehergehäuses befindet sich eine sogenannte Braunsche Röhre.
Durch Ablenkung von Elektronen im Rohr anhand elektrischer und magnetischer Felder können die Elektronen koordiniert werden. Dadurch lassen sich mithilfe des Fadenstrahlrohrs Bilder auf den Fernseher projizieren.
Elektromagnetische Felder – Weitere Anwendungsgebiete
Die Anwendung elektromagnetischer Felder ist vielfältig. In den meisten Fällen sind elektromagnetische Felder im Spiel, wenn Informationen oder Datensignale übertragen werden. Es existieren aber auch viele andere Beispiele, in denen elektromagnetische Felder verwendet werden:
- Mikrowelle
- WLAN-Router
- RFID
- Satellitennavigation
Du siehst also, elektromagnetische Felder sind im heutigen modernen Zeitalter nicht mehr wegzudenken.
Solltest Du zu einer oder mehreren Anwendungen mehr wissen wollen, so steht Dir zu jeder Anwendung eine entsprechende Erklärung zur Verfügung.
Elektromagnetische Felder – Das Wichtigste
- In einem Feld ist jedem Raumpunkt ein bestimmter Wert zugeordnet. Dieser Wert wird durch die Feldstärke und die Ausrichtung des Feldes beschrieben. Prinzipiell gilt für ein Feld:
\[ \text{Feldstärke} = \frac{\text{Kraft auf Probekörper}}{\text{feldrelevante Eigenschaft des Probekörpers}} \]
- Wenn die Feldstärke an jedem Raumpunkt identisch ist, wird von einem homogenen Feld gesprochen. Sollte sich die Feldstärke innerhalb des Feldes ändern, ist das Feld inhomogen.
- Das elektrische Feld, kurz E-Feld, ist ein besonderer Zustand des Raums um eine elektrische Ladung. Das Feld vermittelt dabei die Krafteinwirkung auf andere Ladungen.
- Die elektrische Feldstärke \(\vec{E}\) beschreibt dabei die Stärke und Richtung des Feldes an jedem Punkt. Definiert ist die Feldstärke \(\vec{E}\) wie folgt:
\[ \vec{E} = \frac{{\vec{F}}}{q} \]
- Magnetfelder entstehen entweder durch Permanentmagnetismus oder Elektromagnetismus. Der Elektromagnetismus wiederum besagt, dass eine bewegte Ladung ein Magnetfeld besitzt.
- Die magnetische Flussdichte \(\vec{B}\) ist ein Maß für die Auswirkung des Magnetfeldes an einer gewissen Stelle. Aufgrund dessen wird das Magnetfeld auch mit B-Feld abgekürzt.
- Die Flussdichte ist ein Maß für die Auswirkung des Magnetfeldes an einer gewissen Stelle.
- Die Flussdichte \(\vec{B}\) kann im Abstand \(\vec{r}\) um einen Leiter, durch den der Strom \(\vec{I}\) fließt, unter Betrachtung der magnetischen Permeabilität \(\mu_r\) (magnetische Leitfähigkeit) wie folgt definiert werden: \[\vec{B} = \mu_0 \cdot \mu_r \cdot \frac{\vec{I}}{{2 \cdot \pi \cdot \vec{r}}}\]
Elektromagnetische Induktion beschreibt die Entstehung eines elektrischen Feldes aufgrund der zeitlichen Änderung eines Magnetfeldes.
Dabei wird eine Spannung im Leiter erzeugt, die auch als Induktionsspannung bekannt ist.
Die Induktionsspannung \(U\) kann anhand der Änderung des magnetischen Flusses \(\phi\) beschrieben werden:
\[U = - \frac{d\phi}{dt}\]
Die Induktion wirkt immer entgegen ihrer Ursache. Daraus folgt das negative Vorzeichen bei der Induktionsspannung. Das Phänomen ist auch bekannt als die Lenzsche Regel.
- Die Ursache der Entstehung von elektromagnetischen Feldern sind beschleunigte Ladungsträger.
- Die Maxwell Gleichungen beschreiben das Verhalten von elektromagnetischen Feldern im Vakuum.
- Bei einem elektromagnetischen Feld stehen die elektrische und magnetische Feldkomponente in Relation zueinander.
- Die E- und B-Feldkomponenten sind jeweils senkrecht sowohl zueinander als auch zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet.
Nachweise
- Peter Ackermann et al. (2014). Fokus Physik S2. Cornelsen
- Duden Physik für Gymnasium Sekundarstufe 2 (2003). Duden Paetec.
- Abbildung 3: Darstellung einer elektromagnetischen Welle, www.pixabay.com: Electromagnetic waves
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