elektromagnetische Wechselwirkung

Was ist die elektromagnetische Wechselwirkung?

Wechselwirkung bedeutet, dass sich Teilchen gegenseitig beeinflussen. Durch die elektromagnetische Wechselwirkung gibt es Atome und Moleküle. Wenn die Teilchen entgegengesetzt geladen sind (+/ -), dann ziehen sie sich an. Wenn die Teilchen gleichnamig geladen sind (+/+; -/-), dann stoßen sie sich ab. Durch den Impuls eines virtuellen Photons wird diese elektromagnetische Wechselwirkung übertragen.

Die verschiedenen Wechselwirkungen

Insgesamt gibt es vier verschiedenen Wechselwirkungen (auch Kräfte genannt), die in der Physik als Grundkräfte bezeichnet werden.

Dazu zählen:

  • die Gravitation
  • der Elektromagnetismus
  • die starke Wechselwirkung
  • die schwache Wechselwirkung

Die elektromagnetische Wechselwirkung als eine der Grundkräfte in der Natur wurde im 19. Jahrhundert identifiziert. Vorher dachte man noch, dass der Magnetismus und die Elektrizität unterschiedliche physikalische Geschehnisse sind. Die Ergebnisse der theoretischen Studien des Physikers Maxwell ergaben, dass elektrische und magnetische Felder in einer Wechselwirkung stehen. Die Reichweite der elektromagnetische Kraft ist unendlich.

Die Quantenelektrodynamik

Wie der Name bereits verrät, gehören zu dieser Theorie die Elektrodynamik und die Quantenmechanik. Damit kann die elektromagnetische Wechselwirkung exakt begründet werden.
Bei der elektromagnetischen Wechselwirkung ist die Ladung elektrisch. Das Austauschteilchen (Quant) ist das Photon. Ein Photon hat die Eigenschaften, dass es elektrisch neutral ist und sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann.

Elektromagnetische Wechselwirkung im Alltag

Magnetismus stark
Durch die elektromagnetische Wechselwirkung ist der Magnetismus möglich.
©iStock.com/luchschen

Vom Atom bis zum Berg wird alles durch die elektromagnetische Kraft zusammengehalten. Die Form der Aufenthaltsbereiche der Elektronen macht vielfältige geometrische Strukturen möglich, wie beispielsweise:

  • Kristalle
  • Schneeflocken
  • organische Moleküle

Erst bei größeren Objekten siegt die Gravitation und bewirkt die Kugelform. Aus dem Wechselspiel von elektromagnetischer Kraft und Gravitationskraft ergibt sich zum Beispiel die Höhe der Berge und die Größe von Wassertropfen. Die elektromagnetische Kraft bindet Elektronen an den Atomkern und Atome zu Molekülen und Festkörpern.

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist für ganz alltägliche Vorkommnisse verantwortlich:

  • Magnetismus
  • Licht
  • Elektrizität
  • chemische Bindung
  • chemische Reaktionen
  • verschiedene Materialeigenschaften in der Natur und im Haus

Relativität und Elektrodynamik

Die Elektrodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit elektrischen Ladungen beschäftigt. Mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie lassen sich elektrische und magnetische Kräfte auf eine einheitliche elektromagnetische Wechselwirkung zurückführen. Mit welchen Anteil elektrische und magnetische Kräfte bei einer Erscheinung auftreten, hängt wesentlich von der Wahl des Bezugssystems ab.

Die anderen Wechselwirkungen

Gravitation Fallschirmspringen
Die Gravitationskraft ist schwächer als die elektromagnetische Wechselwirkung. ©iStock.com/SergeyDontsov

Die Gravitation

Bei der Gravitation ziehen sich Massen gegenseitig an. Sie ist die schwächste Wechselwirkung. Die Gravitationskraft wird auch ausführlich in der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein beschrieben.

Elektromagnetische Kraft ist stärker als die Gravitationskraft

Beispiel: Wenn man ein Stück Eisen mit einem Magneten von der Erde aufhebt, wird deutlich, dass die elektromagnetische Wechselwirkung stärker als die Gravitationskraft ist.

Sie starke Wechselwirkung

Bei der starken Kraft werden Quarks zu Protonen und Neutronen gebunden. Die starke Wechselwirkung hält die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen. Außerdem bindet diese Kraft die Quarks zu Hadronen. Acht Gluonen wirken als Austauschteilchen die Kraftwirkung zwischen den Quarks. Die Ladung wird in Farben beschrieben. Quarks kommen in den Farben rot, grün und blau vor. Verschiedene Quarks können sich nur zusammentun, wenn durch die Überlagerung der Farben weiß entsteht. Besonders an der Wechselwirkung ist, dass die Kraft mit der Entfernung zunimmt. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist ca. 100-mal schwächer als die starke Wechselwirkung.

Theorie der starken Wechselwirkung: Quantenchromodynamik

Manche Hadronen werden aus drei d- Quarks, drei u- Quarks und dergleichen aufgebaut. Zur Beschreibung der Quarks wird eine weitere Quantenzahl notwendig (Pauli- Prinzip). Durch diese Quantenzahl kann die starke Wechselwirkung zwischen den Kernbausteinen genauer beschrieben werden. Sie wird Farbladung genannt. Der Name Farbe hat hier nur eine symbolische Bedeutung. Keinesfalls sollte man sich irgendwie gefärbte Elementarteilchen vorstellen.

Die schwache Wechselwirkung

Hier sind alle Quarks beteiligt sowie die Leptonen. Die schwache Kraft wirkt sich nur in kleinen Abständen auf diese aus. Die Reichweite der schwachen Wechselwirkung ist mit 10-18m oder 10-3m gering. Die schwache Wechselwirkung ist 105mal schwächer als die elektromagnetische. Anhand der schwachen Wechselwirkung lässt sich der radioaktive Zerfall erklären.

Erklärung einiger Begrifflichkeiten:

Photonen:Photonen bestehen nur aus einem Teilchen und zwar aus dem Photon.
Leptonen: Diese sind bei der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung beteiligt. Zu den Leptonen gehören das Elektron, das Myon und das Lepton.
Hadronen: Diese verfügen die die elektromagnetische, starke und schwache Wechselwirkung. Hierzu gehören das Proton, Neutrino, Pionen und Kaonen.
Quarks: Quarks sind Grundbausteine der Materie. Neutronen und Protonen bestehen aus Quarks.

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