Die elektromagnetische Kraft

Elektrische und magnetische Phänomene sind der Menschheit seit der Antike bekannt. Schon früh wurde erkannt, dass es zwei Arten elektrischer Ladungen gibt (positive und negative), wobei gleichnamige Ladungen sich gegenseitig abstoßen, entgegengesetzte Ladungen sich jedoch anziehen. Die Kraftwirkung zwischen zwei Ladungen Q im Abstand r lautet dabei (Coulombsches Gesetz, 1786):

Ebenso war die magnetische Kraftwirkung bekannt, und wurde im Kompass etwa zur Navigation verwendet.

Im 18. Jahrhundert wurde durch Oerstedt und Faraday die Brücke zwischen diesen beiden Wechselwirkungen geschlagen. Diese entdeckten die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms (die heutzutage etwa jedem Elektromagneten zu Grunde liegt) sowie

J. C. Maxwell

die elektrischen Effekte von sich ändernden Magnetfeldern. Auf der Grundlage dieser Entdeckungen gelang Maxwell (Abb.) im 19. Jahrhundert eine einheitliche Beschreibung des Elektromagnetismus in einer Feldtheorie.

Der Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und elektromagnetischen Feldern liegt der Sende- und Empfangstechnik elektromagnetischer Wellen zugrunde. Eine ruhende Ladung besitzt nur ein elektrisches Feld, und eine bewegte Ladung erzeugt zusätzlich ein magnetisches Feld. Schliesslich bewirkt die beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen (z.B. in einer Antenne) die Aussendung elektromagnetischer Wellen. Je nach Wellenlänge bezeichnet man diese Wellen als Radiowellen, Licht oder Röntgenstrahlung.

Mit der Entdeckung, dass Atome aus elektrisch positiv geladenen Kernen und einer negativ geladenen Elektronenhülle bestehen, wurde deutlich, dass die chemischen Eigenschaften der Elemente auf die elektrischen Eigenschaften der Hülle zurückgeführt werden können.

Die Maxwellsche Theorie behält auch in der Relativitätstheorie ihre Gültigkeit, innerhalb der Quantentheorie erfuhr sie jedoch eine Modifikation. Die "quantisierte" Fassung des Elektromagnetismus heisst QED (Quantenelektrodynamik), und erklärt die Kraftwirkung des Elektromagnetismus durch den Austausch von Photonen.

Feynman Diagramm zur Wechselwirkung von Elektronen durch Photonaustausch

Dieser Mechanismus kann in sog. Feynman Diagrammen illustriert werden. In unserem Beispiel (Abb. rechts) wechselwirken die beiden von links einlaufenden Elektronen durch den Austausch eines Photons.

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