Maxwell-Gleichungen, Hertz-Experiment & Elektromagnetische Wellen

Die Maxwell-Gleichungen: Fundamente des Elektromagnetismus

Erste Maxwell-Gleichung: Gaußsches Gesetz für elektrische Felder

Die erste Maxwell-Gleichung, auch bekannt als Gaußsches Gesetz für elektrische Felder, beschreibt, dass elektrische Ladungen die Quellen oder Senken elektrischer Feldlinien sind. Diese Feldlinien haben einen Anfang (positive Ladung) und ein Ende (negative Ladung). Experimente bestätigen, dass diese Gleichung die Abstoßung und Anziehung von Ladungen beschreibt.

Zweite Maxwell-Gleichung: Gaußsches Gesetz für Magnetismus

Die zweite Maxwell-Gleichung, bekannt als Gaußsches Gesetz für Magnetismus, besagt, dass der Nettofluss des magnetischen Feldes durch eine geschlossene Fläche null ist. Dies bedeutet, dass es keine isolierten magnetischen Pole (Monopole) gibt und magnetische Feldlinien immer geschlossen sind, ohne Anfang oder Ende.

Dritte Maxwell-Gleichung: Faradaysches Induktionsgesetz

Die dritte Maxwell-Gleichung, auch bekannt als Faradaysches Induktionsgesetz, beschreibt das Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Sie besagt, dass ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Feld induziert, welches wiederum einen elektrischen Strom in einem Leiter (z.B. einer Spule) erzeugen kann.

Vierte Maxwell-Gleichung: Ampère-Maxwell-Gesetz

Die vierte Maxwell-Gleichung, das Ampère-Maxwell-Gesetz, beschreibt, wie Magnetfelder erzeugt werden. Sie besagt, dass ein Magnetfeld sowohl durch einen elektrischen Strom als auch durch ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld erzeugt werden kann. Experimente bestätigen, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt.

Das Hertz-Experiment: Nachweis elektromagnetischer Wellen

Heinrich Hertz gelang es, elektromagnetische Wellen zu erzeugen und nachzuweisen, was die Theorie von Maxwell bestätigte. Hertz' Ergebnisse zeigten:

1. Energiefelder breiten sich in Form von Wellen aus.
2. Diese Wellen besitzen eine Frequenz und eine Wellenlänge.
3. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum entspricht der Lichtgeschwindigkeit.

Diese Erkenntnisse stimmten mit den Vorhersagen Maxwells überein und revolutionierten das Verständnis der Physik.

Was sind elektromagnetische Wellen?

Elektromagnetische Wellen sind Schwingungen von elektrischen und magnetischen Feldern, die sich senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung ausbreiten. Sie entstehen durch beschleunigte elektrische Ladungen und benötigen kein Medium zur Ausbreitung.

Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum

Die Maxwell-Gleichungen zeigen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich elektromagnetische Wellen im Vakuum ausbreiten, eine fundamentale Naturkonstante ist. Dieser Wert, der aus den Konstanten für die elektrische und magnetische Feldstärke im Vakuum abgeleitet wird, entspricht der Lichtgeschwindigkeit (c).

Wichtige Formeln zu elektromagnetischen Wellen

• Die Beziehung zwischen der Stärke des elektrischen Feldes (E) und des magnetischen Feldes (B) in einer elektromagnetischen Welle ist: E = cB, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
• Die Lichtgeschwindigkeit kann auch als Produkt aus Wellenlänge (λ) und Frequenz (f) ausgedrückt werden: c = λf.

Grundlagen der elektromagnetischen Induktion

Neben der Erzeugung von Kräften auf bewegte Ladungen oder der Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme, können Magnetfelder auch andere Effekte hervorrufen, wie die Erzeugung von elektrischem Strom.

Ørsteds Entdeckung und die Verbindung von Elektrizität und Magnetismus

Hans Christian Ørsted entdeckte, dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen. Diese Entdeckung war ein entscheidender Schritt zum Verständnis der engen Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion

Michael Faraday entdeckte, dass ein sich zeitlich ändernder magnetischer Fluss eine elektrische Spannung (Elektromotorische Kraft) induziert. Diese Erkenntnis ist die Grundlage für Generatoren und Transformatoren.