Elektrodynamik – die Physik hinter Elektrotechnik
Elektrotechnik und Elektrodynamik – Wenn diese beiden Begriffe für Sie sehr ähnlich klingen, dann ist das kein Zufall. Sowohl Elektrotechnik als auch die Elektrodynamik beschäftigen sich mit elektrischen Ladungen, elektrischen Strömen, elektrischer Spannung und vielem mehr. Doch wo liegt eigentlich der Unterschied und was bringt einem ein tiefes Verständnis der Elektrodynamik? Genau diese Fragen wollen wir Ihnen in diesem Blogpost beantworten.
Elektrodynamik, was ist das?
Haben Sie sich schon jemals gefragt, was eine elektrische Ladung ist, warum Magnete sich Anziehen oder aus was ein elektrisches Feld eigentlich besteht? Die Antwort darauf kann leider auch die Elektrodynamik nicht geben. Doch was die Elektrodynamik kann, ist zu beschreiben, wie elektrische Ladungen sich in einem Spannungsfeld bewegen oder wie Magnete eine Anziehung aufeinander ausüben.
Die Elektrodynamik ist eine der ältesten und am besten erforschtesten Theorien der Physik. Sie beschäftigt sich auf grundlegende Weise mit der Bewegung und dem Verhalten von elektrisch geladenen Teilchen und Strömen. Zusätzlich beschreibt sie auch den Magnetismus, der (wie wir sehen werden) auf enge Weise mit der Elektrizität verbunden ist.
Wie erwähnt, spielen in der Elektrodynamik sowohl Magnetfelder als auch elektrische Felder (bzw. elektrische Spannungen) eine wichtige Rolle. Genau deshalb fällt die Elektrodynamik auch in die Gruppe der Feldtheorien. Fast alle modernen physikalischen Theorien sind Feldtheorien, und die Elektrodynamik hat damit den Grundstein für die moderne Physik gelegt.
Die Grundlegenden Gesetze der Elektrodynamik
Wie in jeder physikalischen Theorie, gibt es auch in der Elektrodynamik gewisse (Natur-)Gesetze. Doch wie findet man solche Naturgesetze? Naturgesetze findet man nur, wenn man experimentiert. Man beobachtet die Natur genau und leitet aus den Beobachtungen Gesetze ab. Dies nennt man auch Empirie.
Genau aus diesem Grund werden Ihnen womöglich manche der in der Elektrodynamik aufgestellten Gesetze auch sehr bekannt vorkommen. Vielleicht haben Sie diese aber nur noch nie so direkt wahrgenommen. Insgesamt gibt es vier (im weiteren Sinne auch fünf) grundlegende Gesetze in der Elektrodynamik:
- Gaußsches Gesetz: Das Gaußsche Gesetz sag aus, dass jede elektrische Ladung (z.B. ein Elektron) ein elektrisches Feld um sich herum erzeugt (und daher auch eine Spannung entsteht). Dies führt schlussendlich dazu, dass sich gegensätzliche elektrische Ladungen (Plus und Minus) anziehen.
- Gaußsches Gesetz für Magnetfelder: Haben Sie schon einmal versucht einen Magnet in der Mitte auseinanderzuschneiden, um Nord- und Südpol voneinander zu trennen? Tatsächlich sagt das Gaußsche Gesetz für Magnetfelder aus, dass dies nicht funktioniert. Teilen Sie einen Magnet in der Hälfte, dann erhalten Sie zwei Magneten, die beide einen Nord- und Südpol besitzen. Es gibt also, im Gegensatz zu elektrischen Ladungen, keine getrennten magnetischen Pole.
- Induktionsgesetz: Betrachtet man einen Magnet (ein Magnetfeld), der sich schnell bewegt, z.B. aufgrund einer Rotation um sich selbst, so bemerkt man Folgendes: Das Magnetfeld des Magneten erzeugt eine elektrische Spannung in nahegelegenen Leitern.
- Durchflutungsgesetz: Das Durchflutungsgesetz besagt, dass jeder elektrische Strom, z.B. auch jener in Stromkabeln, ein Magnetfeld erzeugt.
Gaußsches Gesetz (oben links); Gaußsches Gesetz für Magnetfelder (oben rechts), Induktionsgesetz (unten links), Durchflutungsgesetz (unten rechts)
So einfach diese Gesetze auch klingen mögen, so schwierig sind Sie anzuwenden. Die zugrundeliegenden Gleichungen sind schwierig zu lösen und führen zu vielen unterschiedlichen Phänomenen. Dies wollen wir im nächsten Unterkapitel näher erläutern.
Die Verbindung zur Elektrotechnik
Die Vielzahl der aus der Elektrodynamik hervorgehenden Phänomene ist faszinierend. So kann die Form von Polarlichtern, die Entstehung von Radiowellen durch Funkgeräte oder auch die Reflexion von Licht an einem Spiegel (fast) ausschließlich mit den oben genannten Gesetzen beschrieben werden.
Eine weitere Anwendung, die aus der Elektrodynamik folgt, ist die Elektrotechnik. So beschreibt das Gaußsche Gesetz, wie Spannung entsteht, nämlich durch die Trennung von elektrischen Ladungen (z.B. in einer Batterie oder einem Kondensator). Dies führt schlussendlich auch zum Stromfluss in Leiterkabeln.
Auf der anderen Seite führt das Induktionsgesetz dazu, dass wir effizient elektrische Energie erzeugen können. In den meisten Kraftwerken befinden sich Turbinen, welche einen Magneten (ein Magnetfeld) schnell rotieren lassen. Durch diese Rotation entsteht aufgrund des Induktionsgesetzes eine elektrische Spannung. Auch Spannungswandler oder einige Messgeräte basieren auf dem Induktionsgesetz.
Das Durchflutungsgesetz hat ebenfalls Anwendungen in der Elektrotechnik. So kann es zur berührungslosen Messung von Wechsel- und Gleichstrom mittels Stromzangen verwendet werden. Wie erwähnt, erzeugt jeder Strom ein Magnetfeld um den Stromleiter. Dieses Magnetfeld lässt sich messen und dadurch auch der elektrische Strom bestimmen.
All die oben genannten Anwendungen in der Elektrotechnik folgen aus einem kleinen Teil der Elektrodynamik, nämlich aus dem Bereich der quasistatischen Näherung. Diese Näherung liefert Aussagen über langsam wechselnde Spannungen, zu denen sogar noch der Haushaltswechselstrom mit 50 Hz / 60 Hz zählt.
Verlässt man diesen quasistatischen Bereich, kommt man in das Gebiet der Hochfrequenztechnik. Dort geht es darum, die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen praktisch zu nutzen. Dazu zählen Radio- als auch Mikrowellenstrahlung.
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