Elektromagnetismus

Elektromagnetismus ist der Teilbereich der Physik, der elektrische und magnetische Felder sowie deren Wechselwirkungen untersucht. Elektrische Felder beschreiben Kräfte auf Ladungen, magnetische Felder beeinflussen bewegte Ladungen; beide Felder sind durch zeitliche Veränderungen und Raumabhängigkeiten eng miteinander verknüpft.

Die moderne Beschreibung erfolgt durch die Maxwell-Gleichungen. In differentialer Form lauten sie grob zusammengefasst: ∇·E = ρ/ε0, ∇·B = 0, ∇×E = -∂B/∂t und ∇×B = μ0 J + μ0 ε0 ∂E/∂t. Diese Gleichungen erklären, wie Ladungen und Ströme Felder erzeugen, wie Felder einander beeinflussen und wie sich Felder untereinander fortpflanzen. Die Lorentzkraft F = q(E + v×B) beschreibt die Wirkung dieser Felder auf geladene Teilchen.

Elektromagnetische Wellen entstehen, wenn sich E- und B-Felder gegenseitig erzeugen und sich als Welle durch den Raum ausbreiten. Im Vakuum gilt c^2 = 1/(μ0 ε0), sodass sich Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das Spektrum reicht von Radiowellen über sichtbares Licht bis zu Röntgen- und Gammastrahlung; Licht wird damit als elektromagnetische Welle verstanden. Die Felder und ihre Quellen lassen sich auch über Potentiale beschreiben, wobei Gauge-Invarianz eine zentrale Rolle spielt.

Historisch führten James Clerk Maxwell und andere zur Erkenntnis, dass Elektrizität, Magnetismus und Optik Teil eines einzigen Feldphänomens sind. Elektromagnetismus bildet die Grundlage der klassischen Physik und hat weitreichende Anwendungen in Energieübertragung, Motoren und Generatoren, Funk- und Kommunikationssystemen, Optik bis hin zur medizinischen Bildgebung.

Wichtige Größen umfassen E (Einheit V/m), B (Tesla), μ0, ε0 und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.