√ėrstedt: Falsche Analogien

Sie kennen sicher das ber√ľhmte Experiment mit der Kompassnadel, √ľber die Strom flie√üt, der sie aus der Nord-S√ľd-Richtung ablenkt. K√∂nnen Sie sich vorstellen, dass der Entdecker dieses Effekts, der d√§nische Apotheker Hans Christian √ėrstedt (1777 - 1851), ganze acht Jahre brauchte, bis er 1820 diesen Effekt entdeckte, und das auch nur aus Versehen?
Bevor wir den steinigen Weg der Erkenntnis zusammen mit dem d√§√ľnischen Physiker gemeinsam beschreiten, machen wir ein paar √úberlegungen zu Spieglungen. Stellen Sie sich einen Strom durchflossenen Leiter vor und rechts davon einen Spiegel. Nichts √§ndert sich im Spiegelbild. Der Strom flie√üt weiterhin von minus nach plus, die Form des Drahts und der Elektronenfluss bleiben gleich. Jetzt machen Sie das Gleiche mit einer Kompassnadel. Auch hier √§ndert sich nichts im Spiegelbild: Der magnetische "Strom", repr√§sentiert durch die Feldlinien, flie√üt weiterhin von S√ľd nach Nord. Als letztes nehmen wir das ber√ľhmte Experiment von √ėrstedt. Im Spiegelbild wird die Nadel nach der anderen Richtung abgelenkt, obwohl die physikalischen und geometrischen Verh√§ltnisse die gleichen geblieben sind. Was ist hier geschehen? Warum funktionieren die Einzelteile in der Spiegelwelt wie gewohnt, ihre Kombination indessen nicht?
Spiegelbilder1
Spiegelbilder: Sie beeinflussen weder Elektrizität noch Magnetismus, wohl aber deren Kombination.


Und nun vergessen Sie alles, was Sie im Physik-Unterricht gelernt haben, und versetzen sich in √ėrstedts Zeit. Man wusste damals, dass Elektrizit√§t und Magnetismus viel gemeinsam haben. Beide besitzen positive und negative Pole, wobei gleichpolige Elemente einander absto√üen, gegenpolige einander anziehen. Beiden Ph√§nomenen scheint ein Fluidum zugrunde zu liegen, also irgendetwas Flie√üendes. Bei der Elektrizit√§t ist das klar, man spricht ja von elektrischem "Strom". Beim Magnetismus hat dieser Fluss sp√§ter auch einen Namen bekommen ("magnetischer Fluss"); er wurde durch die Faradayschen Feldlinien auch √§u√üerlich sichtbar.
Wie k√∂nnten diese beiden Fl√ľsse einander beeinflussen? (Sch√∂nes Wortspiel!) So, wie Fl√ľsse das √ľblicherweise tun. Flie√üen sie parallel, k√∂nnte der eine den andern beschleunigen. Das ist in unserem Fall eher unwahrscheinlich, zumindest schwierig zumessen. Denn der elektrische Strom breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, und wie sollte man da feststellen, ob er schneller oder langsamer wird? Die Geschwindigkeit des magnetischen Stroms ist unbekannt, aber sicher auch viel zu gro√ü. Also bleibt die zweite M√∂glichkeit: Der eine Strom trifft senkrecht auf den anderen und lenkt ihn ab. Das k√∂nnte so aussehen:
Ablenkung 1
Ablenkung einer Magnetnadel durch den elektrischen Strom (logische Version). So ist es aber nicht.


Wie gesagt, acht Jahre lang versuchte √ėrstedt, mit dieser Version der Versuchsanordnung die √Ąhnlichkeit der beiden Naturerscheinungen nachzuweisen, ohne Erfolg. Bis er dann eines Tages, noch dazu im H√∂rsaal, den Draht falsch platzierte. Und siehe da: Es gab einen Effekt! Der sah so aus, wie wir ihn aus der Schule und aus Physik-B√ľchern kennen, und wie er zun√§chst v√∂llig unverst√§ndlich ist:
Ablenkung 2
Ablenkung einer Magnetnadel durch den elektrischen Strom (unlogische Version). So ist es wirklich, aber warum?


Was ist hier los? Haben wir falsch gedacht? Nein, nicht wirklich. Die Sache ist nur wesentlich komplizierter als es scheint. Magnetismus ist bei aller √Ąhnlichkeit mit seiner Schwester Elektrizit√§t doch eine g√§nzlich andere Erscheinung. Sogar √ėrstedt erkannte am Ende seines Lebens: Magnetismus muss irgendetwas mit einer Drehbewegung zu tun haben. Heute wissen wir: Auch wenn ein Stabmagnet √§u√üerlich einem Strom durchflossenen Leiter √§hnelt, sind die magnetischen Vorg√§nge keine Str√∂me in S√ľd-Nord-Richtung, sondern Wirbelfelder. Die wahre (und damit wieder verst√§ndliche) Anordnung sieht also so aus:
Ablenkung 3
Ablenkung einer Magnetnadel durch den elektrischen Strom (logische und realistische Version). Der elektrische Strom erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld, das die Magnetnadel nach links ablenkt. Das gilt aber nur, wenn der elektrische Strom oberhalb der Nadel fließt!

 

Ablenkung 4
Fließt der elektrische Strom unterhalb der Nadel, dreht sich die Ablenkungsrichtung um.

 

Wir sehen: Die Idee der Symmetrie hat hier den wissenschaftlichen Fortschritt behindert. Immerhin hat sie auch den Fortschritt gefördert, denn eine andere Spiegelsymmetrie hilft sehr beim Verständnis der elektromagnetischen Erscheinungen:

Magentfeld
Bewegte elektrische Ladungen (also ein elektrischer Strom) erzeugen ein magnetisches Ringfeld

 

Elektrofeld
Bewegte magnetische Ladungen (eine Art mechanischer magnetischer Strom) erzeugen ein elektrisches Ringfeld


Doch die Ignoranz der Unterschiede zwischen Elektrizit√§t und Magnetismus behindert weiterhin den Fortschritt, denn sowohl Elektrizit√§t als auch Magnetismus werden als gleich aussehende Vektoren dargestellt, was zu einiger Verwirrung f√ľhrt. Die Spiegelung des elektrischen Stroms an einem Spiegel parallel zum Leiter haben wir oben schon gesehen. An der Stromrichtung √§ndert sich nichts; ein solcher Vektor hei√üt polar oder "echt". Spiegelt man dagegen einen Magneten (dargestellt durch einen axialen oder Pseudo-Vektor), dann dreht sich die Flussrichtung um:
axialer Vektor
Spiegelung eines axialen (magnetischen) Vektors. Die Flussrichtung ändert sich, der Magnet polt sich um. Seine symbolische Darstellung aber bleibt die gleiche!

Mischt man die beiden Vektoren, wie bei der Berechnung der Lorenzkraft durch das sogenannte √§u√üere Produkt, dann kommen die Physiker in Teufels K√ľche. Denn einem Vektor sieht man von seiner mathematischen Darstellung her nicht an, ob er echt oder pseudo ist. Und das gibt Probleme - doch die Physiker merken es nicht einmal.

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