Kraftlinie

In der Geschichte der Physik ist eine Kraftlinie im erweiterten Sinne Michael Faradays gleichbedeutend mit James Clerk Maxwells Induktionslinie . [ ^{1 ] Laut} J. J. Thomson beschreibt Faraday Kraftlinien üblicherweise als Ketten polarisierter Teilchen in einem Dielektrikum, manchmal aber auch als eigenständige Strukturen, die sich durch das Vakuum erstrecken. ^{[ 2 ]} Neben Kraftlinien bezeichnet Thomson sie – ähnlich wie Maxwell – auch als Röhren elektrostatischer Induktivität oder einfach Faraday-Röhren. ^{[ 2 ]} Aus der Perspektive des 20. Jahrhunderts sind Kraftlinien Energieverbindungen, die in einer Feldtheorie des 19. Jahrhunderts verankert sind und zu mathematisch und experimentell anspruchsvolleren Konzepten und Theorien führten, darunter Maxwells Gleichungen und Albert Einsteins Relativitätstheorie .

Die Theorie der Kraftlinien geht auf Michael Faraday zurück, dessen Theorie besagt, dass die gesamte Realität aus Kraft besteht . Seine Theorie sagt voraus, dass Elektrizität, Licht und Gravitation endliche Ausbreitungsverzögerungen aufweisen. Die Theorien und experimentellen Daten späterer Wissenschaftler wie Maxwell, Heinrich Hertz , Einstein und anderer bestätigen die Konsequenzen von Faradays Theorie. Dennoch bleibt Faradays Theorie eigenständig. Im Gegensatz zu Faraday nahmen Maxwell und andere (z. B. J. J. Thomson) an, dass sich Licht und Elektrizität durch einen Äther ausbreiten müssen . In Einsteins Relativitätstheorie existiert kein Äther, dennoch ist die physikalische Wirkung der Kraft deutlich schwächer als in Faradays Theorien. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Die Historikerin Nancy J. Nersessian unterscheidet in ihrem Aufsatz „Faradays Feldkonzept“ zwischen den Ideen von Maxwell und Faraday: ^{[ 5 ]}

Die spezifischen Merkmale von Faradays Feldkonzept in seiner bevorzugten und vollständigsten Form bestanden darin, dass Kraft eine Substanz ist, dass sie die einzige Substanz ist und dass alle Kräfte durch verschiedene Bewegungen der Feldlinien ineinander umgewandelt werden können. Diese Merkmale von Faradays bevorzugter Vorstellung wurden nicht weitergeführt. Maxwell betrachtete in seinem Ansatz zur mathematischen Darstellung der kontinuierlichen Übertragung elektrischer und magnetischer Kräfte diese als Spannungs- und Dehnungszustände in einem mechanischen Äther. Dies war Teil des völlig anderen Netzes von Überzeugungen und Problemen, mit denen sich Maxwell befasste.

Michael Faraday hielt die physikalische Realität der Feldlinien zunächst für eine Möglichkeit, doch mehrere Wissenschaftler stimmen darin überein, dass sie für ihn zur festen Überzeugung wurden. Ein Wissenschaftler datiert diesen Wandel auf das Jahr 1838. ^{[ 6 ]} Ein anderer datiert die endgültige Festigung seiner Überzeugung auf das Jahr 1852. ^{[ 7 ]} Faraday untersuchte experimentell magnetische und elektrostatische Feldlinien und zeigte, dass sie nicht mit Fernwirkungsmodellen übereinstimmen. 1852 verfasste Faraday die Abhandlung „Über den physikalischen Charakter der magnetischen Feldlinien“ ^{[ 8 ]} , in der er Gravitation, Strahlung und Elektrizität sowie deren mögliche Zusammenhänge mit dem Übertragungsmedium, der Ausbreitung und dem Empfänger untersuchte.

James Clerk Maxwell verfolgte zunächst einen agnostischen Ansatz bei der Mathematisierung von Faradays Theorien. Dies zeigt sich in Maxwells Arbeiten von 1855 und 1856: „Über Faradays Kraftlinien“ und „Über Faradays elektrotonischen Zustand“. In der Arbeit „ Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes “ von 1864 räumte Maxwell Faraday und dessen Arbeit „Gedanken über Strahlschwingungen“ von 1846 die wissenschaftliche Priorität der elektromagnetischen Lichttheorie ein. ^{[ 9 ]} Maxwell schrieb:

Faraday entdeckte, dass sich die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls dreht, wenn dieser ein transparentes diamagnetisches Medium in Richtung der magnetischen Feldlinien durchquert, die von Magneten oder Strömen in der Umgebung erzeugt werden.

Die Vorstellung, dass sich transversale magnetische Störungen unter Ausschluss normaler Störungen ausbreiten, wurde von Professor Faraday in seinen „Gedanken über Strahlschwingungen“ deutlich dargelegt. Die von ihm vorgeschlagene elektromagnetische Theorie des Lichts ist im Wesentlichen dieselbe wie die, die ich in dieser Arbeit zu entwickeln begonnen habe, mit der Ausnahme, dass es 1846 keine Daten zur Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit gab.

Maxwell änderte Faradays Ausdruck „Kraftlinien“ in „Kraftröhren“ , als er seine fluidischen Annahmen zur Mathematisierung von Faradays Theorien darlegte. ^{[ 6 ]} Eine Kraftröhre , auch elektrostatische Induktionsröhre oder Feldröhre genannt , besteht aus elektrischen Feldlinien , die sich so bewegen, dass ihr Anfang auf einer positiven Fläche eine geschlossene Kurve beschreibt, ihr Ende auf der negativen Fläche eine entsprechende geschlossene Kurve beschreibt und die Kraftlinie selbst eine induktive Röhrenoberfläche erzeugt. Eine solche Röhre wird als „ Solenoid “ bezeichnet. Senkrecht zu einer Kraftröhre wirkt ein Druck in Höhe der Hälfte des Produkts aus dielektrischer und magnetischer Dichte. Breiten sich die Kraftröhren durch die Zunahme eines elektrischen Feldes seitlich aus, so entsteht eine magnetische Reaktion auf diese Zunahme der Stromstärke. Bewegt sich eine Kraftröhre jedoch längs, so ist der Widerstand, der die Geschwindigkeit begrenzt, gering oder vernachlässigbar. Kraftröhren werden von Körpern absorbiert und verleihen ihnen Impuls und Masse. Kraftröhren sind Gruppen elektrischer Feldlinien.

Zu Beginn seiner Forschung (um 1831) bezeichnete Faraday die in Metallspänen in der Nähe eines Magneten beobachteten Muster scheinbar kontinuierlicher Kurven als magnetische Kurven . Später nannte er sie lediglich magnetische Feldlinien oder einfach Feldlinien. ^{[ 10 ]} Schließlich begann Faraday auch den Begriff „Magnetfeld“ zu verwenden. ^{[ 11 ]}

• Feldlinie
• Flussrohr
• Fluss

• Faraday, Michael, „Gedanken über Strahlschwingungen“, Philosophical Magazine, Mai 1846, oder Experimental Researches, III, S. 447
• Faraday, Michael, Experimentelle Forschungen, Serie 19.