zum Inhalt.
zur Hauptnavigation.

Inhalt

Hintergrund: Magnetismus und Elektrizität: André-Marie Ampère

Oersteds Initialzündung

  • Schwarzweiß-Porträt von Ampère im Profil mit Brille auf der Stirn. Ampère erfand auch die elektrische Telegraphie; Rechte: mauritius
  • Schwarzweiß-Stich: Oersted zeigt fünf weiteren Männern ein Experiment auf einem Tisch. Oersteds erste Experimente zum Elektromagnetismus; Rechte: mauritius

1826 erscheint in Paris eine Schrift zur "Mathematischen Theorie der elektrodynamischen Phänomene". Verfasser ist ein gewisser André-Marie Ampère (1775-1836). In französischen Wissenschaftskreisen ist er alles andere als ein Unbekannter: Ampère hat sich durch Studien zur Spieltheorie, zur Physik der Gase und vieles mehr als exzellenter Wissenschaftler hervorgetan. Aber es sind diese Schrift und die in ihr beschriebenen Experimente, durch die sich Ampère den Beinamen "Newton der Elektrizität" und einen der vordersten Plätze in der Geschichte der Physik gesichert hat: als Begründer der Elektrodynamik.

Mit Elektrizität hat sich Ampère noch kaum beschäftigt, als er 1820 von den Experimenten eines dänischen Physikers erfährt. Hans Christian Oersted (1777-1851) hatte die Erwärmung eines Drahtes durch elektrischen Strom demonstrieren wollen. Dabei hatte er festgestellt, dass eine magnetische Kompassnadel in der Nähe abgelenkt wurde – jedes Mal, wenn er Strom durch den Draht fließen ließ. Elektrischer Strom scheint eine magnetische Kraft auszuüben. Es ist der erste Beleg für den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus. Auch Ampère ist elektrisiert: Er legt seine übrigen Forschungen auf Eis und widmet sich in den nächsten Jahren allein der Elektrizität.

Elektromagnete: Kraft durch Strom

  • Kupferdraht zu einer Spule aufgewickelt. Nur Silberspulen haben einen geringeren Widerstand als die aus Kupfer; Rechte: mauritius

Ampère vermutet: Wenn elektrischer Strom ein Magnetfeld beeinflussen kann, braucht man vielleicht gar keinen Magneten für den Versuch. Er entwickelt ein Gerät, mit der er seine Hypothese überprüfen kann: Zwei rechteckige Drahtbügel, einer fest, der andere beweglich. Durch beide schickt er elektrischen Strom. Fließt er in beiden Drahtbügeln in die gleiche Richtung, ziehen sich die Drähte an, fließt er in entgegengesetzte Richtungen, stoßen sich die Bügel ab. Um einen stromdurchflossenen Leiter muss offenbar ein Magnetfeld entstehen. Die Kraft, die auf den Leiter ausgeübt wird, wirkt seltsamerweise senkrecht zur Richtung des Stromes – später wird sie nach dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) als Lorentzkraft in die Physikbücher eingehen.

Ampère weiß nun, dass seine Vermutung stimmt: Elektrizität und Magnetismus gehen auf ein gemeinsames Naturgesetz zurück. Seine Beobachtungen fasst er in einer Schrift zur mathematischen Theorie des Elektromagnetismus zusammen. Aber er experimentiert auch weiter. Er entdeckt, dass ein elektrischer Leiter, der zu einer Spule aufgewickelt wird, sich genau wie der Magnet einer Kompassnadel verhält: Er richtet sich in Nord-Süd-Richtung aus. Und er entdeckt eine Kraft, deren Einheit später seinen Namen tragen wird, und die bisher noch keiner wirklich untersucht hat: die Stromstärke.

Stromstärke und magnetische Kraft

  • Rundes Ziffernblatt mit der Aufschrift "Amperemeter". Amperemeter ist die Einheit der Stromstärke; Rechte: AKG
  • Hufeisenförmiger Magneten, der ein paar Metallspäne anzieht. Woher beziehen Dauermagneten ihre Kraft? Rechte: mauritius

Fließt in einem Kreislauf elektrischer Strom, entsteht ein magnetisches Feld. Was aber bestimmt, wie stark die Kraft dieses Feldes ist? Ein zur Spule aufgewickelter Draht wirkt stärker magnetisch als ein einfacher Draht. Je mehr Windungen die Spule hat und je länger sie ist, desto stärker ist der Elektromagnet. Aber es gibt noch einen anderen Faktor, den Ampère entdeckt: die Stärke des elektrischen Stroms. Sie ist umso höher, desto mehr Elektronen sich in einer bestimmten Zeit durch den Leiterquerschnitt bewegen. Ampère findet heraus: Je größer die Stromstärke, desto höher ist die magnetische Kraft des Leiters. Um seine Theorie zu stützen, entwickelt er das Amperemeter – es ist bis heute das Messinstrument für die Stärke des Stroms.

Strom in elektrischen Leitern wirkt magnetisch. Aber wie verhält es sich mit den Dauermagneten selbst, worin besteht ihre magnetische Kraft? Ampère geht davon aus, dass sich jedes Atom selbst wie ein kleiner Magnet verhält. Ursache dafür ist ein elektrischer Stromkreis in jedem Atom. Auch bei Körpern, die nach außen nicht magnetisch sind, verhält es sich im Grunde so. Nur dass die Atome von Magneten einheitlich ausgerichtet und damit auch nach außen magnetisch sind – bei Nicht-Magneten sind die Atome kreuz und quer: Nach außen wirken solche Stoffe als nicht magnetisch. Der Ursprung des Magnetismus ist demnach Elektrizität.

Ampères "Molekularströme"

  • Ein Forscher steht an einem Elektronenmikroskop, links daneben der farbige Bildschirm eines Rechners. Gäbe es ohne Ampère Elektronenmikroskope? Rechte: mauritius

Ampère hat gezeigt, dass Magnetismus nicht auf der Wirkung eines geheimnisvollen magnetischen "Fluidums" beruht, wie man bisher geglaubt hatte, sondern auf der Wirkung von Elektronen-Strömen – Ampère nennt sie "Molekularströme". Auch die Physiker späterer Generationen bestätigen grundsätzlich Ampères Erkenntnis. In seinem Atommodell zeigt der dänische Physiker Niels Bohr (1885-1962), dass der Atomkern von Elektronen auf Kreisbahnen umrundet wird. In der Quantenmechanik gibt man zwar den Begriff der Elektronenbahn auf. Aber Ampères "Molekularströme" sind damit nicht widerlegt – nur führt man jetzt die molekularen oder atomaren magnetischen Momente auf den Drehimpuls oder "Spin" der Elektronen zurück.

Die Folgen von Ampères Forschung sind heute aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Elektromagnete werden heute überall in Forschung und Technik eingesetzt. Ob Elektronenmikroskope, Kernspin-Tomographen, Telefone, Mikrophone, Lautsprecher, Magnetschwebebahnen oder Hubmagnete: Nichts davon ist denkbar ohne die bahnbrechenden Experimente des genialen Physikers André-Marie Ampère.