Elektrodynamik

Elektrodynamik, auch als Elektromagnetismus bezeichnet, ist die Theorie der elektrischen und magnetischen Felder sowie ihrer Wechselwirkungen. Sie umfasst die Beschreibung der Felder E und B, deren Quellen in Ladungen und Strömen liegen, und die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Die zentrale Grundlage bildet das Satz der Maxwell-Gleichungen: das Gauss-Gesetz für E und B, Faradaysches Induktionsgesetz, das Ampère-Maxwell-Gesetz und die Gleichung, die die Verschiebungsstromkomponente berücksichtigt. Zusammen beschreiben diese Gleichungen, wie Felder erzeugt, übertragen, verändert und von Materie beeinflusst werden.

Elektrische Felder E, magnetische Felder B und deren dynamische Kopplung ermöglichen die Lorentzkraft F = q(E + v × B) auf bewegte Ladungen. In der Praxis lässt sich E und B aus Skalar- und Vektorpotential φ und A ableiten; die Beschreibung enthält heute das Prinzip der Gauge-Invarianz. Die Theorie führt zu elektromagnetischen Wellen, die sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und sich in Optik, Funktechnik, Mikrowellen und Strahlungstechnik vielfältig nutzen lassen. Auf mikroskopischer Ebene werden elektromagnetische Wellen auch als Photonen interpretiert.

Historisch leiteten James Clerk Maxwell und Faraday die moderne Elektrodynamik her; Hertz bestätigte experimentell die elektromagnetischen Wellen. Die Formulierung ist eng mit der Speziellen Relativitätstheorie verknüpft, da die Maxwell-Gleichungen im Minkowski-Raum geschrieben sind und die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Bewegungszustand des Beobachters ist. Elektrodynamik bildet die Grundlage vieler technischer Anwendungen und naturwissenschaftlicher Bereiche, von Kommunikationstechnik und Antennentechnik bis hin zu Optik, Medizin und Teilchenphysik.