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Elektromagnetische Wechselwirkung

Teil 3 Bewegte Ladungen

Kurzer Rückblick

Wie hier beschrieben, ´besteht´ unser elektrisches Feld aus einem von den Ladungsquellen ausgehenden Strom positiv oder negativ orientierter Impuls tragender Objekte (ITO).
Die Elementarteilchen selbst sehen wir als Blackbox an, die bei Wechselwirkung im Verlauf eines Schwingungszyklus´ mit neutralen ITO des Hintergrundes einen Teil von deren Impuls in positiven (oder negativen) Eigendrehimpuls transformieren.

Die Anzahl der ITO/Zyklus verkörpert die ´Ladung´ des Elementarteilchens. Der vom geladenen Elementarteilchen ausgehende Strom geänderter ITO verläuft radial vom Teilchen aus in alle Richtungen des Raumes und spannt das elektrische Feld auf. Bei Maxwell ist das der elektrische Fluss, der die Eigenschaften des Raumes um das geladene Teilchen verändert und das Feld ´aufspannt´ - aber bei Maxwell eben ohne ITO.

Bild oben ist aus ´Ueberall ist die Mitte´:

Von den Ladungsquellen ausgehender el. Fluß, veranschaulicht durch radial strömende ITO mit Drehimpuls,
Drehachse der ITO liegt in / parallel zur Bewegungsrichtung

Hinweis zum Link elektrischer Fluss: In einem Feld sieht die Physik eine bestimmte Veränderung der Raumeigenschaften, die sich von der Feldquelle ausgehend im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Feldwirkung nimmt dabei mit 1/r² vom Abstand zur Feldquelle ab. Das absichtlich sehr einfach gehaltene Feldmodell oben bildet diesen Zusammenhang ab.

Unser Ziel ist aber nicht nur eine Vorstellung von dem zu bekommen, was man als Feld bezeichnet. Wir wollen vor allem die elektromagnetische Wechselwirkung geladener Elementarteilchen untereinander veranschaulichen.
Ein ´veränderter Raum´ hat dabei, weil er ansonsten leer ist, für uns leider keinen vorstellbaren Inhalt. Auch die ebenfalls substanzlose, aber den Raum füllende Vakuumenergie bietet keine Anschaulichkeit. Das oben skizzierte Impuls-Modell wird dagegen Anschaulichkeit liefern. Deshalb nochmal kurz zu dem, was Impuls ist:

Der Zusammenhang zwischen Zeit, Impuls und Kraft ist ein zentrales Element von Newtons Mechanik:

Newton Impuls

aus :https://www.uni-kassel.de/fb10/fileadmin/datas/fb10/physik/oberflaechenphysik/exp2/Lehre/ExpPhysI/Arbeit-Energie-Impuls.pdf

Bewegte Ladungen - Die Lorentzkraft

1. Der elektrischer Leiter

Ein Leiter besteht aus Atomen und Molekülen die leitfähig sind - z.B. Kupfer. Die Elementarteilchen des Leitermaterials erzeugen jeweils ihr Feld. Da die Atome und Moleküle aus gleich vielen positiven wie negativen Elementarteilchen bestehen, überlagern sich deren Felder und von außen gesehen heben sich deren EM-Wirkungen gegenseitig auf. Der Leiter ist neutral.

Ein Leiter besteht aus Neutronen und gleich vielen Protonen und Elektronen - das Leitermaterial ist elektrisch neutral

Bild unten: Leiter im Querschnitt. Es fließt kein Strom

Vom Leitermaterial gehen gleich viele positiv (gelb, rechtsdrehend) und negativ (blau, linksdrehend) orientierte ITO aus.

Neutrales Feld um Leiter

2. Im Leiter fließt ein Strom

Wenn man an einen Leiter eine Spannung anlegt und den Stromkreis schließt, dann beginnen sich Elektronen im Leiter zu bewegen. Zum Pluspol fließt ein Strom von Elektronen (physikalische Stromrichtung) - zum Minuspol fließt ein Strom von Fehlstellen (Defektelektronen).
Es sind eigentlich nur die Elektronen der äußeren Hüllen der Atome, die sich der Spannung entsprechend innerhalb des Atoms ausrichten und dann von Atomrumpf zu Atomrumpf springen. Dabei hinterlassen sie kurzzeitig einen positiven Atomrumpf. Diese Atomrümpfe selbst bleiben zwar ´am Ort´, aber die von den die Lücken auffüllenden Elektronen jeweils kurzzeitig erzeugten Fehlstellen (Defektelektronen) bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Elektronen- aber in die entgegengesetzte Richtung.
Auch bei Stromfluss werden also im Leiter keine statischen ´Fehlstellen´ erzeugt, da die am Atom frei werdende Elektronenpositionen umgehend wieder von ´hinten´ aufgefüllt werden.

Animation : einfache Darstellung fließender Ladungsträger

bewegte Ladung

fließende Elektronen und entgegengesetzt fließende Defektelektronen.

Bewegte Elektronen Defektelektronen

Die vom Leiter ausgehenden ITO-Ströme sind nach wie vor in Anzahl und auch bzgl. der Summe aus Impuls / Drehimpuls gleich.
Es sind also auch stromdurchflossene Leiter nach Außen neutral.

Detailansicht

Auch von bewegten Elektronen und Defektelektronen werden radial in den Raum geprägte ITO reflektiert. Neben der negativen/positiven Orientierung (Eigenrotation) besitzen diese aber nun auch eine Information über die Geschwindigkeit ihrer Quellen: Die Drehachsen dieser ITO liegen nun nicht mehr parallel zur Bewegungsrichtung, wie beim ´rein´ elektrischen Feld, sondern diese Achsen sind nun in die jeweilige Bewegungsrichtung geneigt. Die Geschwindigkeit der Elektronen und der Fehlstellen ist gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet.
Deshalb ist auch der Neigungswinkel der Achsen gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet.

Bild unten: Vom stromdurchflossenen Leiter ausgehende ITO
e-p+stromfluss D1

Gegenüber der ´rein´ elektrischen WW ergibt sich bei Stromfluss ein deutlich verändertes Strömungsbild. An einem geladenen Probekörper sind demnach auch andere Wirkungen zu erwarten, wie beim ´rein´ elektrischen Feld. Der wesentliche Unterschied besteht in der Lage der Drehachse der ITO in Bezug zu deren Bewegungsrichtung.

Weil im rein elektrischen Feld bei WW mit einem geladenem Probekörper die Drehachse der ITO in deren Bewegungsrichtung liegt, wird der Probekörper entweder direkt zur Feldquelle hin beschleunigt oder von ihr weggestoßen. Beim elektrischen Feld rotieren die ITO links oder rechts bezogen zur Bewegungsrichtung, aber immer ist die Drehachse = der Bewegungsrichtung. Es liegt eine Symmetrie vor.

Genau diese Symmetrie ist im ITO-Strom von bewegten Ladungen aber nicht mehr gegeben. Die ITO mit ihren geneigten Drehachsen werden am geladenen Probekörper nun auch ihren Eigendrehimpuls vermitteln. In jedem Punkt des von einem ITO-Strom mit geneigten Achsen aufgespannten Feldes wird einem geladenen Probekörper bei WW ein quer zur Ausbreitungsrichtung der ITO (=Vermittler) gerichteten Impuls vermittelt.

Bild unten - von bewegten Elektronen und Defektelektronen kommende und geprägte ITO .

Die Drehachse ist gegenüber der Bewegungsrichtung geneigt.
Das magn. Moment beider ITO wird an einem geeigneten Probekörper in die gleiche Richtung weisen (Grauer Kreis) .

Detail 2 - Magnetische Komponente Detail

Ergebnis: Der von einem stromdurchflossenen Leiter radial ausgehende ITO-Strom führt an einem geeigneten Probekörper zu einer senkrecht zu Strom- und Bewegungsrichtung der ITO gerichteten Kraft.

(F=dp/dt). Wie bei der Linke-Hand-Regel .
Ursache: Stromfluss -> Vermittlung: geprägte ITO-> Wirkung: Magnetische Komponente am PK

Bild unten Leiter in perspektivische Darstellung.

Die phys. Stromrichtung (e-) geht nach links - Defektelektronen geht nach rechts.
Den von bewegten Elektronen kommende ITO (blau) benachbart sind die ITO der Defektelektronen.
Das magnetischen Moment beider ´Vermittler´ weist in die gleiche Richtung - das Resultat der entgegengesetzt orientierten Drehachsen und des gegensätzlichen Drehsinns
Neutrale ITO- Paare (pos. und neg.) vom ruhenden Leitermaterial sind etwas kleiner dargestellt.