2001_2   Geheimnisse des Mikrokosmos Teil 2

(Nr. 31 bis 60)

Die Entwicklung geht weiter - Neue Erkenntnisse in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts

31) Jean Foucault erfindet 1851 das Gyroskop und weist mit einem Pendel nach, daß sich die Erde um ihre Achse dreht.

32) Maxwell erkannte 1864 aufgrund der Versuche von Oerstedt und Faraday, daß alle elektrischen und magnetischen Phänomene die Wirkung einer einzigen elektromagnetischen Kraft sind.

33) Rasch wechselnde elektromagnetische Felder (elektromagnetische Wellen) transportieren Energie. Diese ist umso größer, je höher die Frequenz (je kürzer die Wellenlänge) ist.

34) Elektromagnetische Wellen gehen von Zentren aus. Ihre Quelle kann eine Antenne sein, oder strahlende Atome oder Moleküle (z.B. in einer gasförmigen Lichtquelle).

35) Maxwell stellte 1873 die Gleichungen für elektromagnetische Felder auf. Darin greifen sie gewissermaßen kettenartig ineinander.

36) Die Energie einer Welle ist je zur Hälfte im elektrischen und magnetischen Feld. Die Zerlegung hängt nur vom Bewegungszustand des Beobachters ab.

37) Laut den Feldgleichungen erzeugt ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Wirbelfeld. Und ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.

38) Elektromagnetische Felder bewegen sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit.

39) Maxwell forderte, daß ein schwingender elektrischer oder magnetischer Dipol (Sender) Energie in Form von elektromagnetischen transversalen Wellen aussendet. Vergleichbares hatte auch Faraday vermutet.

40) Elektromagnetische Wellen sind transversal. Dabei ist die Ablenkung senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung (z.B. ein nicht dehnbares Seil). Die Ausbreitungsrichtung ist gleich der Schwingungsrichtung. Bei der Longitudinalwelle ist die Ablenkung in ihrer Ausbreitungsrichtung (z.B. ein dehnbares Gummiseil). Die Ausbreitungsrichtung liegt senkrecht zu der Schwingungsrichtung, die hier auch als Polarisationsrichtung bezeichnet wird. Eine Sonderform ist die harmonische Welle. ihre Auslenkung hat eine Sinusform.

41) Maxwell definierte Licht als “eine kurze elektromagnetische Welle”. Er stellte die Hypothese auf, daß die Lichtgeschwindigkeit eine absolute Konstante ist, also nicht von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters abhängt.

42) Heinrich Rudolf Hertz bewies 1886 diese Vermutung durch Erzeugung von Radiowellen. Er konnte ebenfalls die Gleichartigkeit von Lichtwellen und elektromagnetischen Wellen nachweisen.

43) Die elektrische Feldkonstante

e = 8,8542*10^-12   A s V^-1 m^-1

ist der Proportionalitätsfaktor zwischen den Vektoren der elektrischen Flußdichte (Formelzeichen: D) und der elektrischen Feldstärke (Formelzeichen: E).

44) Die magnetische Feldkonstante

m = 1/e c²=1,2566*10^-6     V s A^-1 m^-1

ist der Proportionalitätsfaktor zwischen den Vektoren der magnetischen Flußdichte (Formelzeichen: B) und der magnetischen Feldstärke (Formelzeichen: H).

45) Die Lichtgeschwindigkeit ist gleich 1 dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt von elektrischer und magnetischer Feldkonstante des Vakuums.

46) Maxwells Theorie des Elektromagnetismus fordert, auf elektromagnetische Strahlung (Licht und Wärme) angewandt: nur “ganze” Strahlungswellen sind erlaubte Wellenlängen.

47) Auf jeder erlaubten Welle entfällt - unabhängig von ihrer Wellenlänge - die gleiche Energiemenge. Die exakte Energiemenge wird von der Temperatur bestimmt.

48) Bei einer gegen unendlich gehenden Zahl von möglichen Wellenmustern (die alle die gleiche Energiemenge tragen) geht auch die gesamte Energie gegen Unendlich.

49) Maxwells Bedingung verlangte, daß die Welle ganze Zahlen von Bergen und Tälern (gleich: ganze Schwingung) haben müsse.

Das schließt (je nach Objekt zwischen dem die elektromagnetische Strahlung genau passen muß) eine große Anzahl von Wellenlängen aus, aber es bleiben eine unendliche Anzahl von Wellenmustern bestehen (d.h. eine wachsende Zahl von immer enger werdenden Bergen und Tälern). Und da jedes dieser Wellenmuster die gleiche Energiemenge trägt, ist bei einer unendlichen Zahl von Wellen auch die Energiemenge unendlich. Ein absurdes Ergebnis.

50) Erster Hauptsatz der Thermodynamik = Wärmeenergie ist eine Form von Energie. In einem abgeschlossenen System ist der gesamte Energievorrat (Summe aus Wärmeenergie und mechanischer oder elektrischer Energie) konstant. Den Satz von der Erhaltung der Energie formulierten unabhängig voneinander Julius Robert von Mayer und James Prescott Joule.

51) Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik = Alle in einem abgeschlossenen System auftretenden Zustandsänderungen verlaufen so, daß die Entropie zunimmt. Ein abgeschlossenes System wird daher solange Zustandsänderungen unterworfen sein, bis die Entropie einen Höchstwert erreicht hat.

52) Die klassische Thermodynamik arbeitete nur mit den beiden vorstehenden Hauptsätzen. Der Absolutwert der Entropie blieb unbestimmt. Das änderte sich mit dem “Nernstschen Theorem”.

53) Dritter Hauptsatz der Thermodynamik (Nernstscher Wärmesatz) = Am absoluten Nullpunkt hat die Entropie eines einheitlichen festen oder flüssigen (nicht eines Mischkörpers oder eines Gases) Körpers den Wert Null. FOLGE: Der absolute Nullpunkt der Temperatur wird ein asymptotischer Punkt, dem man zwar beliebig nahe kommt, aber streng nie erreichen kann.

54) Der Status des Absoluten Nullpunktes ist die zwangsläufige Folge jenes Vorganges, den wir als Temperatur bezeichnen und messen können. Temperatur beruht auf der Reibung von Materieteilchen. Wärmeübertragung heißt: Teilchen in immer heftigere Bewegung versetzen. Das ist die Braunsche Molekularbewegung, die sich in der makroskopischen Welt als Temperatur bemerkbar macht. Entzieht man dem Stoff Wärme, verringert sich die Braunsche Molekularbewegung immer mehr, bis zum Stillstand. Ab -273°C kann einem Stoff keine Wärme mehr entzogen werden, d.h. es kann keine kältere Temperatur geben. Bedingt durch die Quantenfluktuation ist ein Erreichen des absoluten Nullpunktes wahrscheinlich unmöglich.

55) Es gibt irreversible Vorgänge (d.h. Prozesse, die von selbst nur in einer Richtung verlaufen). ABER: Die Entropie eines isolierten Systems kann unter Umständen etwas abnehmen, doch nur wenige Einheiten von der Größe k (= Boltzmann Konstante).

56) Joseph Loschmidt gibt 1865 die erste Einschätzung der Atomgröße.

57) Albert Michelson ermittelte 1878 experimentell einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit, der fast dem heute gemessenen Wert entspricht. Zusammen mit Edward William Morley führte er 1887 mehrere Versuche zur Messung des “Äthers” durch. Ohne Resultat.

58) Sind elektrische und magnetische Feldstärke in Phase, steht die magnetische Flußdichte senkrecht auf der elektrischen Feldstärke. Die Matrizendarstellung des Tensors der elektromagnetischen Feldstärke zeigt, daß das elektrische und magnetische Feld zu einer Einheit verschmelzen: dem elektromagnetischen Feld. Die Zerlegung in elektrische und magnetische Komponenten hängt vom Bewegungszustand des Beobachters ab. Ein Feld, das für den ruhenden Beobachter rein magnetisch erscheint, kann für einen bewegten Beobachter einen elektrischen Anteil haben. Die Umrechnung ist auf die formale Aufgabe der Transformation vierdimensionaler Tensorkomponenten zurückgeführt. Diese erfolgt analog zur Transformation von Vierervektoren.

59) Am Abend des 8.11.1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg die Röntgenstrahlen.

60) Der Physiker Peter Zeeman fand 1896 heraus, daß es sich beim Licht um eine elektromagnetische Strahlung handelt, die in einem Magnetfeld in mehrere polarisierte Komponenten aufgespalten wird. Das ist der Zeeman-Effekt