In der Physik ist die elektromagnetische Kraft ein Einfluss, der auf elektrisch geladene Teilchen einwirkt. Zusammen mit der Schwerkraft ist sie die Kraft, der der Mensch im Alltag am meisten begegnet, und sie erklärt die meisten Phänomene, mit denen der Mensch vertraut ist. Es ist für Elektrizität, Magnetismus und Licht verantwortlich; es hält Elektronen und Protonen in Atomen zusammen; und es ermöglicht Atomen, sich zu Molekülen zu verbinden, und treibt chemische Reaktionen an. Diese Kraft ist auch für die Festigkeit fester Körper verantwortlich und ist der Grund, warum sie sich nicht durchdringen können.
Die elektromagnetische Kraft ist eine der vier Grundkräfte der Natur. Die anderen drei sind die Gravitationskraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Die starke Kernkraft ist die stärkste von ihnen, aber sie wirkt nur über eine extrem kurze Reichweite. Die elektromagnetische Kraft ist die zweitstärkste und wirkt wie die Schwerkraft über unbegrenzte Entfernungen.
Das inverse quadratische Gesetz
Wie die Schwerkraft folgt die elektromagnetische Kraft dem inversen quadratischen Gesetz. Dies bedeutet, dass die Stärke der Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von ihrer Quelle ist. Wenn sich also beispielsweise jemand 5 Einheiten von der Kraftquelle entfernt, wird die Intensität auf 1/25 reduziert.
Positive und negative Ladungen
Im Gegensatz zur Schwerkraft wird die elektromagnetische Kraft nur von Objekten wahrgenommen, die eine elektrische Ladung haben, die positiv oder negativ sein kann. Gegenstände mit unterschiedlichen Ladungstypen ziehen sich an, aber solche mit der gleichen Ladung stoßen sich ab. Dies bedeutet, dass die Kraft abhängig von den beteiligten Ladungen anziehend oder abstoßend sein kann. Da die meisten Objekte meistens keine elektrische Gesamtladung haben, spüren sie die elektromagnetische Kraft nicht, was erklärt, warum die Schwerkraft, obwohl eine viel schwächere Kraft, auf großen Skalen dominiert.
Wenn zwei verschiedene Materialien aneinander reiben, können sich Elektronen von einem zum anderen bewegen, wobei eines positiv geladen ist und das andere negativ geladen ist. Die beiden ziehen sich dann gegenseitig an und können von elektrisch neutralen Objekten angezogen werden. Dies ist als statische Elektrizität bekannt und lässt sich durch verschiedene einfache Experimente demonstrieren, etwa indem man einen Ballon mit einem Stück Fell reibt und an eine Wand klemmt – er wird dort durch elektrostatische Anziehung gehalten.
Ein elektrischer Strom fließt, wenn sich Elektronen entlang eines Drahtes oder eines anderen Leiters von einem Bereich mit Elektronenüberschuss zu einem Bereich mit Elektronenmangel bewegen. Der Strom soll von negativ nach positiv fließen. In einem einfachen Stromkreis mit einer Batterie fließen Elektronen vom Pluspol zum Minuspol, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
Auf atomarer Ebene hält die Anziehung zwischen positiv geladenen Protonen im Kern und negativ geladenen Elektronen außerhalb Atome zusammen und lässt sie sich zu Molekülen und Verbindungen verbinden. Die Protonen im Kern werden durch die starke Kernkraft festgehalten, die in diesem extrem kleinen Maßstab die elektromagnetische Abstoßung überwindet.
Elektromagnetische Felder
Das Konzept der elektromagnetischen Felder wurde erstmals im frühen 19. Jahrhundert von dem Wissenschaftler Michael Faraday entwickelt. Er zeigte, dass sich elektrisch geladene und magnetisierte Objekte aus der Ferne gegenseitig beeinflussen können. Zum Beispiel könnte ein elektrischer Strom, der durch eine Drahtspule fließt, eine Kompassnadel ablenken und einen Strom in einer anderen, nahegelegenen Spule induzieren. Er zeigte auch, dass ein sich änderndes Magnetfeld in einem Draht einen elektrischen Strom erzeugen kann. Dies stellte eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus und der Existenz eines Feldes her, das mit der Entfernung um elektrisch geladene oder magnetische Objekte herum variiert.
Später im 19. Jahrhundert stellte der Physiker James Clerk Maxwell eine Reihe von Gleichungen auf, die nicht nur die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus erklärten, sondern auch zeigte, dass Licht eine wellenartige Störung des elektromagnetischen Feldes ist. Zu diesem Schluss kam er, als er die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Einflüsse berechnete und feststellte, dass dies immer die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Schlussfolgerung war, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung war, die sich als Wellen ausbreitete. Dies führte zur Theorie der klassischen Elektrodynamik, bei der eine elektromagnetische Welle durch eine bewegte elektrische Ladung erzeugt wird. Die Bewegung einer Drahtspule in einem Magnetfeld kann niederenergetische Radiowellen erzeugen, während die energiereichere Bewegung von Elektronen in einem heißen Draht sichtbares Licht erzeugen kann.
Quantenelektrodynamik
Mit Einsteins Untersuchung des photoelektrischen Effekts, bei dem Licht Elektronen von einer Metalloberfläche verdrängen kann, kam die Entdeckung, dass sich elektromagnetische Strahlung (EMR) sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten kann. Diese Teilchen werden Photonen genannt. Elektronen in einem Atom können Energie gewinnen, indem sie ein Photon absorbieren und Energie verlieren, indem sie eines emittieren. Auf diese Weise kann EMR als Emission von Photonen erklärt werden, wenn Elektronen einen Energieabfall erfahren.
Nach der Quantentheorie lassen sich alle vier Naturkräfte durch den Austausch von Teilchen erklären, wie Fotos bei der elektromagnetischen Kraft. Um diese Kraft quantentheoretisch konsistent zu erklären, wurde die Theorie der Quantenelektrodynamik entwickelt. Die Idee ist, dass die elektromagnetische Kraft durch „virtuelle“ Photonen vermittelt wird, die bei Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen nur flüchtig existieren. Es erklärt alle elektromagnetischen Wechselwirkungen und strenge Tests haben bewiesen, dass es sich um eine sehr genaue Theorie handelt.