Elektromagnetische Wechselwirkung

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Wie die Gravitation ist sie im Alltag leicht erfahrbar, daher ist sie seit langem eingehend erforscht und seit über 100 Jahren gut verstanden. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist beispielsweise verantwortlich für die meisten alltäglichen Phänomene wie Licht, Elektrizität und Magnetismus, sie ist grundlegend für den Aufbau der Atomhülle, für die Bildung von Molekülen und die Eigenschaften von Festkörpern. Sie bestimmt wesentlich die Eigenschaften der Materie um uns herum und die von uns erfahrbare Wechselwirkung von Materie und Strahlung.

Ausgangspunkt der Erforschung war eine Untersuchung der Kräfte zwischen elektrischen Ladungen. Das Gesetz von Coulomb gibt diese Kraftwirkung zwischen zwei punktförmigen Ladungen ganz analog zum Gravitationsgesetz an. Die Wirkung von elektrischen Kräften auf entfernte Ladungen wird durch das Konzept des elektrischen Feldes beschrieben. Dieses wird nicht nur durch elektrische Ladungen hervorgerufen, sondern auch durch zeitliche Änderungen magnetischer Felder. Während ruhende elektrische Ladungen scheinbar nichts mit den Erscheinungen des Magnetismus zu tun haben, erweist sich eine bewegte elektrische Ladung als Ursache eines magnetischen Feldes. Wenn sich in diesem Feld eine zweite Ladung bewegt, so erfährt sie nach den Gesetzen der Elektrodynamik eine magnetische Kraft, die dann etwa so groß wie die elektrischen Kraft ist, wenn die Relativgeschwindigkeit in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit ist. Die klassische Elektrodynamik ist das erste Beispiel einer Feldtheorie, die das Einsteinsche Relativitätsprinzip erfüllt. Wenn die Elektrodynamik nur invariant gegenüber Galilei-Transformationen wäre, dann würde es keine Induktionserscheinungen und keine Ausbreitung elektromagnetischer Wellen geben.

Die Theorie der klassischen Elektrodynamik geht auf James Clerk Maxwell zurück, der im 19. Jahrhundert in den nach ihm benannten Maxwellschen Gleichungen die Gesetze der Elektrizität, des Magnetismus und des Lichts als verschiedene Aspekte einer grundlegenden Wechselwirkung, des Elektromagnetismus, erkannte. Die elektromagnetische Wechselwirkung, die ja selbst das Ergebnis der Zusammenfassung der Theorie elektrischer und magnetischer Wechselwirkung ist, wird mit der schwachen Kraft zusammen als elektroschwache Wechselwirkung beschrieben. Eine Integration der starken Kraft in die gemeinsame einheitliche Feldtheorie wird angestrebt.

Kennzeichnend für die elektromagnetische Wechselwirkung ist, dass sie eine lange (prinzipiell unendliche) Reichweite hat und gleichzeitig absättigbar ist - d.h. die Wirkung einer negativen und einer positiven Ladung auf eine entfernte dritte Ladung heben sich praktisch auf. Die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung wird durch die Feinstrukturkonstante bestimmt, diese Kopplungskonstante ist etwa um den Faktor 100 kleiner als die der starken Wechselwirkung aber um mehrere Größenordnung größer als die der schwachen Wechselwirkung, erst recht viel größer als die der Gravitation.

Erscheinungen des Elektromagnetismus können auch dann beobachtbar sein, wenn keine elektrische Ladung in greifbarer Entfernung vorhanden ist, beispielsweise bei den elektromagnetischen Wellen oder beim Zerfall $\pi ^{0}\to 2\gamma$ des $\pi ^{0}$-Pions in zwei Gamma-Photonen.

Im Bereich der kleinsten Teilchen wird die elektromagnetische Wechselwirkung durch die Quantenelektrodynamik beschrieben. Die elektromagnetischen Potenziale werden darin als Feldoperatoren aufgefasst, durch diese werden die Photonen, die Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, erzeugt oder vernichtet. Anschaulich bedeutet das, dass die Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen, also der Austausch von Impuls und Energie, das Ergebnis des Austausches von Photonen zwischen diesen Teilchen ist.

Literatur

• Klaus Bethge, Ulrich E. Schröder: Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. John Wiley & Sons, 2012, ISBN 978-3-527-66216-6 (google.com [abgerufen am 18. November 2012]). 
• John David Jackson, Christopher Witte: Klassische Elektrodynamik. Walter de Gruyter, 2006, ISBN 978-3-11-018970-4 (google.com [abgerufen am 18. November 2012]). 
• Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 3: Elektrodynamik. Springer DE, 2011, ISBN 978-3-642-13448-7 (google.com [abgerufen am 18. November 2012]). 

Die vier Grundkräfte der Physik

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