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Nur wenige Elemente eignen sich als Dauermagneten - eines davon ist Eisen. Kupfer dagegen nicht. Wenn man aber
einen elektrischen Strom durch ein Metall leitet, wird es magnetisch - ein Elektromagnet.
Aber wie funktioniert das? Es folgt nämlich aus der speziellen Relativitätstheorie:
Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass räumliche und zeitliche Abstände in unserem Universum keine absoluten Größen sind;
von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen, werden sie unterschiedlich wahrgenommen (daher "Relativität").
Zum Beispiel kann man durch sehr sorgfältige Messung feststellen, dass die Zeit für einen bewegten Beobachter
langsamer abläuft.
Hey Derek, wann hast du dich das letzte Mal rasiert? Derek1: Vor sechs Stunden.
bewegterDerek: Nach meiner Messung war das vor 5 Std, 59 Minuten und 59,99999999999 Sekunden!
Darüber hinaus werden Objekte in der Richtung gestaucht, in der sie sich bewegen.
Du siehst schmal aus. - Aber nur von deinem Bezugssystem aus.
Wenn sich also ein Objekt relativ zum Beobachter bewegt, nimmt es weniger Raum ein,
als wenn es unbewegt ist. Und obwohl dieser Effekt natürlich viel winziger ist als wir es hier darstellen,
folgt aus der Längenkontraktion die Funktionsweise des Elektromagneten.
Stellt euch einen Kupferdraht vor - er besteht aus positiven Metall Ionen in einem Meer aus freien negativen Elektronen.
Die Anzahl der Protonen ist gleich der Anzahl negativer Elektronen, also ist der Draht insgesamt
Neutral. Wenn eine positiv geladene Katze in der Nähe wäre,
würde sie von dem Draht weder angezogen, noch abgestoßen.
Und selbst wenn im Draht ein Strom fließen würde, würden die Elektronen nur in eine Richtung strömen,
aber die Konzentrationen der positiven und negativen Ladungen wären immer noch die gleichen,
und der Draht bliebe damit neutral, also auch keine Kraft, die auf das Kätzchen wirkt.
Aber was wenn sich nun die Katze bewegt? Stellen wir uns der Einfachheit halber vor, die Katze würde sich
in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, wie die Elektronen. In meinem Bezugssystem
ist der Draht immer noch neutral; es sollte keine Kraft auf die Katze wirken, aber betrachten
wir jetzt dieselbe Situation in ihrem Bezugssystem:
Im Bezugssystem der Katze bewegen sich die positiven Ladungen im Draht.
Laut der speziellen Relativität wird der Abstand zwischen ihnen also ein ganz kleines bisschen verkürzt. Dazu kommt:
aus dieser Perspektive bewegen sich die Elektronen nicht, sie sind also weiter verteilt -
- wir erinnern uns: ein unbewegtes Objekt beansprucht mehr Platz, als ein Bewegtes. Diese
zwei Änderungen zusammen bedeuten eine höhere Konzentration positiver Ladungen im Draht, das heißt:
er ist nicht mehr neutral - er ist positiv geladen! Was bedeutet, dass die positiv geladene Katze
und der Draht sich gegenseitig abstoßen.
Aber von meinem Bezugssystem aus erscheint das rätselhaft: es wirkt keine Kraft auf die ruhende Katze,
aber eine bewegte Katze wird irgendwie von diesem neutralen Draht abgestoßen.
Wie sollen wir diese Kraft einordnen? Nun, wir nennen sie magnetische Kraft, und das liegt vor allem daran,
dass ein Draht, durch den ein Strom fließt, in der Nähe befindliche Magneten ablenkt. In Wirklichkeit zeigt dieses Experiment also,
dass ein magnetisches Feld einfach nur ein elektrisches Feld ist, betrachtet aus einem anderen
Bezugssystem.
Im Bezugssystem der Katze wird sie von dem Draht abgestoßen, aufgrund des elektrischen Feldes
der überschüssigen positiven Ladungen, was wiederum aus dem Effekt der Längenkontraktion folgte. In MEINEM Bezugssystem
wird die Katze von einem neutralen Draht abgestoßen durch das magnetische Feld des
im Draht fließenden Stroms.
Ob man es nun also als elektrisches oder als magnetisches Feld betrachtet, hängt nur vom eigenen Bezugssystem ab
aber in beiden Fällen sind die Ergebnisse dieselben. Ein elektromagnet ist also ein alltägliches Beispiel
der speziellen Relativitätstheorie in Aktion.
Das mag zwar verrückt erscheinen, da sich Elektronen im Draht nur mit etwa 0,0000000001% der
Lichtgeschwindigkeit bewegen - wie kann da die spezielle Relativität überhaupt eine Rolle spielen? Die Wahrheit ist,
dass so viele Elektronen im Draht sind, und die elektrische Wechselwirkung so atemberaubend stark ist,
dass selbst die winzige Längenkontraktion einen so deutlichen Ladungsunterschied hervorrufen kann,
dass er eine messbare Kraft verursacht.
Die spezielle Relativitätstheorie erklärt also die Elektromagneten - aber was ist mit den Dauermagneten?
Yeah! In einem Klumpen Gestein fließen jawohl nicht irgendwelche elektrischen Ströme herum, oder?
Hier klicken für das Video von MinutePhysics, denn dort schauen wir uns Magneteisengestein an, Kompasse und die Zauberei
hinter den Dauermagneten. -Translated by Stefan from Münster