Der Schulstoff
Schon früh lernt man die Wirkung von Magneten kennen und erklärt sie durch die Elementarmagnete. Dazu habe ich schon einen Extra-Futter Post geschrieben.
Später in der Oberstufe werden dann Felder behandelt. Wie und über die Sinnhaftigkeit, das soll in einem weiteren Extrafutter kommen...
Zuerst lernt man die elektrische Feldstärke kennen: E = F/q, also die Kraft pro Probeladung.
Vielleicht überträgt man das auch auf das Gravitationsfeld und erhält g = F/m die Fallbeschleunigung als Gravitationsfeldstärke.
Beim Magnetfeld wird es dann schwieriger, da es ja keine einzelnen Magnetpole gibt, auf die eine Kraft wirken kann.
Also definiert man B = F/(I*s) als die Kraft pro Probeleiter der Länge s, der durch den Strom I durchflossen wird.
Spätestens da, wünscht man sich, dass es keine Magnetfelder gibt...
Aber wie klebt man dann Zettelhalter an den Kühlschrank???
Das Extrafutter
Dieses Extrafutter ist leider kaum in der Schule zu behandeln, denn es zeigt, dass Magnetfelder relativistische Effekte darstellen, also eigentlich keine eigenständige Existenzberechtigung benötigen.
Magnetfelder entstehen als Effekte beim Wechsel von Bezugssystemen und es sind die Auswirkungen elektrischer Felder.
Übrigens: Bei Gravitationsfeldern gibt es das auch...
Und wer die Formel für die Lorentzkraft kennt: F = q*v*B erkennt leicht, dass F eine elektrische Kraft ist, denn F/q ist die Kraft pro Probeladung, also eine elektrische Feldstärke: E = v*B...
Und da erahnen wir es: Magnetfelder und Bewegungen ergeben elektrische Felder...
Versuchen wir es noch etwas konkreter und anschaulicher zu machen:
Im ersten Bild sehen wir einen Leiter mit festen positiven Ladungen und nach rechts bewegten Elektronen. Diese erzeugen ein Magnetfeld, das oberhalb in die Ebene hineingeht und unten herauskommt (Linke Hand Regel).
Unten ist nun ein Elektron, das sich ebenfalls nah rechts bewegt. Mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand erkennen wir, das dieses bewegte Elektron eine Lorentzkraft im Magnetfeld des Leiters nach oben erfährt.
Nun ändern wir unser Bezugssystem und setzen uns auf das bewegte Elektron drauf, wir bewegen uns mit ihm nach rechts. Damit stehen die Elektronen für uns im Metall still und die positiven Ladungen scheinen sich relativ zu uns nach links zu bewegen.
Die Relativitätstheorie sagt uns aber, dass Abstände zwischen relativ zu uns bewegten Gegenständen verkürzt erscheinen (Längenkontraktion). Wir, oder besser unser Elektron sieht also die positiven Ladungen enger gedrängt im Metall sitzen.
Der Rest ist einfach: Das Elektron sieht eine Anhäufung von positiven Ladungen und wird deshalb angezogen.
Die Lorentzkraft ist eine elektrische Kraft.
Den Wechsel des Bezugssystems kann man über die Lorentztransformation der Relativitätstheorie auch mathematisch erfassen und erhält aus der elektrischen Kraft wirklich die Lorentzkraft für das bewegte Elektron.
Also, wer braucht schon Magnetfelder???
Nachtisch: Elektrische Felder "bestehen" aus Photonen...und damit natürlich Magnetfelder auch.