Wechselwirkung eines Magnetfeldes mit einer Ladung
Wie interagiert das Magnetfeld mit einem geladenen Objekt? Wenn die Ladung in Ruhe ist, gibt es keine Interaktion. Wenn sich die Ladung bewegt, wird sie jedoch einer Kraft ausgesetzt, deren Größe in direktem Verhältnis zur Ladungsgeschwindigkeit zunimmt. Die Kraft hat eine Richtung, die sowohl zur Bewegungsrichtung der Ladung als auch zur Richtung des Magnetfeldes senkrecht ist., Es gibt zwei mögliche genau entgegengesetzte Richtungen für eine solche Kraft für eine gegebene Bewegungsrichtung. Diese scheinbare Mehrdeutigkeit wird durch die Tatsache aufgelöst, dass eine der beiden Richtungen auf die Kraft auf eine sich bewegende positive Ladung auftrifft, während die andere Richtung auf die Kraft auf eine sich bewegende negative Ladung auftrifft. Abbildung 3 zeigt die Richtungen der Magnetkraft auf positive Ladungen und auf negative Ladungen, wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen, das senkrecht zur Bewegung steht.,
Mit freundlicher Genehmigung des Department of Physics and Astronomy, Michigan State University
Abhängig von der anfänglichen Ausrichtung der Teilchengeschwindigkeit auf das Magnetfeld folgen Ladungen mit konstanter Geschwindigkeit in einem gleichmäßigen Magnetfeld einem kreisförmigen oder helikalen Pfad.,
Elektrische Ströme in Drähten sind nicht die einzige Quelle von Magnetfeldern. Natürlich vorkommende Mineralien weisen magnetische Eigenschaften auf und haben Magnetfelder. Diese Magnetfelder resultieren aus der Bewegung von Elektronen in den Atomen des Materials. Sie resultieren auch aus einer Eigenschaft von Elektronen, die als magnetisches Dipolmoment bezeichnet wird und mit dem intrinsischen Spin einzelner Elektronen zusammenhängt. In den meisten Materialien wird aufgrund der zufälligen Ausrichtung der verschiedenen Atome außerhalb der Materie wenig oder kein Feld beobachtet., In einigen Materialien wie Eisen neigen Atome jedoch dazu, in bestimmten Abständen in eine bestimmte Richtung ausgerichtet zu werden.
Magnete haben zahlreiche Anwendungen, von der Verwendung als Spielzeug und Papierhalter auf Haushaltskühlschränken bis hin zu wesentlichen Komponenten in elektrischen Generatoren und Maschinen, die Partikel beschleunigen können, bis hin zu Geschwindigkeiten, die sich denen von Licht nähern. Die praktische Anwendung des Magnetismus in der Technologie wird durch die Verwendung von Eisen und anderen ferromagnetischen Materialien mit elektrischen Strömen in Geräten wie Motoren erheblich verbessert., Diese Materialien verstärken das durch die Ströme erzeugte Magnetfeld und erzeugen dadurch stärkere Felder.
Während elektrische und magnetische Effekte in vielen Phänomenen und Anwendungen gut voneinander getrennt sind, sind sie bei schnellen Zeitschwankungen eng miteinander gekoppelt. Faradays Induktionsgesetz beschreibt, wie ein zeitlich variierendes Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt. Wichtige praktische Anwendungen umfassen den elektrischen Generator und Transformator. In einem Generator erzeugt die physikalische Bewegung eines Magnetfeldes Strom für die Stromversorgung., In einem Transformator wird elektrische Energie von einem Spannungspegel in ein anderes durch das Magnetfeld einer Schaltung umgewandelt, das einen elektrischen Strom in einer anderen Schaltung induziert.
Die Existenz elektromagnetischer Wellen hängt von der Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern ab. Maxwell postulierte, dass ein zeitlich variierendes elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugt. Seine Theorie sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, in denen jedes zeitlich variierende Feld das andere Feld erzeugt., Zum Beispiel werden Radiowellen durch elektronische Schaltungen erzeugt, die als Oszillatoren bekannt sind und in Antennen schnell oszillierende Ströme fließen lassen; Das schnell variierende Magnetfeld hat ein damit verbundenes variierendes elektrisches Feld. Das Ergebnis ist die Emission von Radiowellen in den Weltraum (siehe elektromagnetische Strahlung: Erzeugung elektromagnetischer Strahlung).
Viele elektromagnetische Geräte können durch Schaltungen beschrieben werden, die aus Leitern und anderen Elementen bestehen. Diese Schaltungen können mit einem stetigen Stromfluss arbeiten, wie in einer Taschenlampe, oder mit zeitvariierenden Strömen., Wichtige Elemente in Schaltungen sind Stromquellen, die als elektromotorische Kräfte bezeichnet werden; Widerstände, die den Stromfluss für eine bestimmte Spannung steuern; Kondensatoren, die Ladung und Energie vorübergehend speichern; und Induktivitäten, die auch elektrische Energie für eine begrenzte Zeit speichern. Schaltungen mit diesen Elementen können vollständig mit Algebra beschrieben werden. (Für kompliziertere Schaltungselemente wie Transistoren siehe Halbleitervorrichtung und integrierte Schaltung).,
Zwei mathematische Größen, die Vektorfeldern zugeordnet sind, wie das elektrische Feld E und das Magnetfeld B, sind nützlich, um elektromagnetische Phänomene zu beschreiben. Sie sind der Fluss eines solchen Feldes durch eine Oberfläche und das Linienintegral des Feldes entlang eines Pfades. Der Fluss eines Feldes durch eine Oberfläche misst, wie viel des Feldes durch die Oberfläche dringt; Für jeden kleinen Abschnitt der Oberfläche ist der Fluss proportional zur Fläche dieses Abschnitts und hängt auch von der relativen Ausrichtung des Abschnitts und des Feldes ab., Das Linienintegral eines Feldes entlang eines Pfades misst den Grad, zu dem das Feld mit dem Pfad ausgerichtet ist; für jeden kleinen Abschnitt des Pfades ist es proportional zur Länge dieses Abschnitts und ist auch abhängig von der Ausrichtung des Feldes mit diesem Abschnitt des Pfades. Wenn das Feld senkrecht zum Pfad steht, gibt es keinen Beitrag zum Linienintegral. Die Ströme von E und B durch eine Oberfläche und die Linienintegrale dieser Felder entlang eines Pfades spielen eine wichtige Rolle in der elektromagnetischen Theorie., Als Beispiele misst der Fluss des elektrischen Feldes E durch eine geschlossene Oberfläche die Ladungsmenge, die in der Oberfläche enthalten ist; Der Fluss des Magnetfeldes B durch eine geschlossene Oberfläche ist immer Null, da es keine magnetischen Monopole (magnetische Ladungen, die aus einem einzigen Pol bestehen) gibt, die als Quellen des Magnetfeldes fungieren, so dass die Ladung eine Quelle des elektrischen Feldes ist.