Die Entdeckung des Elektromagnetismus

1 Inhalt

2 Einleitung & Erläuterung zum ‚Elektromagnetismus’
2.1 Einleitung
2.2 Definition von Elektromagnetismus

3 Vorgeschichte Das physikalische Weltbild vor d. Entdeckung d. Elektromagnetismus
3.1 Der Magnetismus
3.2 Die Elektrizität

4 Paradigmenwechsel die Entdeckung des Zusammenhangs zw. Strom und Elektrizität
4.1 Giovanni Domenico Romagnosi
4.2 Hans Christian Ørsted

5 Welle der Forschung Die Weiterentwicklung zur Elektrodynamik
5.1 Anrdré Marie Ampère
5.2 Kurzer Einblick in die weitere Entwicklung der Elektrodynamik

6 Nachwort

7 Anhänge
7.1 Anhang A “Articolo sul galvanismo” von Giovanni Dom. Romagnosi

8 Quellenangaben

2 Einleitung & Erläuterung zum ‚Elektromagnetismus’

2.1 Einleitung

Der Däne Preben Gudmanson schrieb: „Die drei wichtigsten Leistungen der Geschichte der Menschheit sind die Erfindung des Rades, die Einführung der Null und die Entdeckung des Elektromagnetismus“. Das Rad – natürlich, das Rad war die Erfindung der Menschheit überhaupt, darüber ist man sich einig. Auch die Null veränderte die Welt, das bekommt heute schon jeder Grundschüler eingebleut. Aber der Elektromagnetismus? Wieso zum Henker denn gerade der Elektromagnetismus und nicht beispielsweise die Entdeckung der Halbleitertechnik oder die Einführung der elektronischen Datenverarbeitung?

Nun, ich habe ein Wenig recherchiert und muss zu dem Ergebnis kommen, dass es mit der elektronischen Datenverarbeitung wahrscheinlich nicht weit her wäre, wenn der Elektromagnetismus unbekannt wäre. Es gäbe keine Disketten, keine Festplatten, kein Tonband- und Kassettengeräte, keine Elektromotoren, um CD-Laufwerke anzutreiben und Strom würde in riesigen Chemiefabriken in Form von Batterien erzeugt werden, da es den Dynamo nicht geben würde. Überhaupt wäre eine Stromversorgung über Hochspannungsleitungen nicht existent, da es keine Möglichkeit geben würde, die Spannung zu transformieren. Musik würden wir immer noch mit dem Grammophon hören, denn der Lautsprecher wäre nicht erfunden. Der Fernseher würde so nicht funktionieren, auch nicht das Radio, wir hätten keine automatischen Wasch- und Spülmaschinen, es gäbe keine Staubsauger und keine elektrischen Zahnbürsten.

Wir wären ziemlich aufgeschmissen ohne die Entdeckung des Elektromagnetismus.

Meine Seminararbeit soll etwas Licht ins Dunkel der Entdeckungsgeschichte bringen und nebenbei einmal zeigen, welche Mühen unsere Vorfahren auf sich nahmen, und uns so unseren heutigen Lebensstandart mit iPod und Mobiltelefon ermöglichen.

2.2 Definition von Elektromagnetismus

Ein magnetisches Feld kann auf zweierlei Arten hervorgebracht werden. Erstens durch einen Festmagneten, einen sog. ferromagnetischen Metall. Dieses Metall zeichnet sich dadurch aus, dass es magnetische Dipole enthält, die Elementarmagnete genannt werden. Ihre Ursache liegt in der Konfiguration zwischen Atomen und Elektronen. Richtet man die Elementarmagnete ihrer Polarität nach aus (beispielsweise durch thermische oder mechanische Behandlung), so wirkt der Körper nach außen hin magnetisch; es entsteht also ein magnetisches Feld.

Die zweite Möglichkeit basiert auf dem Phänomen, dass jeder stromdurchflossene Leiter ein elektromagnetisches Feld um sich herum hervorbringt. Durch willkürliche Anordnung, zum Beispiel das Wickeln zu einer Spule, können starke, homogene Felder erzeugt werden. Andersherum ist es ebenso möglich, dass Magnetfelder, die auf einen Leiter wirken, in diesem einen Stromfluss erzeugen. Diese Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus wird als Elektromagnetismus bezeichnet.

Sie findet in der Praxis zahlreiche Anwendungen, von denen die populärsten wohl Elektromotor, Lautsprecher und Transformator sind. Sie werden erst dadurch möglich, dass ein Magnetfeld sehr schnell und variabel auf- und abgebaut werden kann.

3 Vorgeschichte Das physikalische Weltbild vor der Entdeckung des Elektromagnetismus

Der Magnetismus sorgte gleichermaßen wie die Elektrizität für allerhand Aufregung und war darum auch schon früh Gegenstand mehr oder weniger intensiver Forschungsarbeit. In beiden Gebieten waren viele, manchmal sehr kuriose Theorien entstanden, von denen einige allerdings wegbereitend waren für die Etablierung und Durchsetzung der korrekten Forschungsrichtung. Trotzdem ist die Vorgeschichte des Elektromagnetismus in die zwei Teilgebiete der Elektrizitätslehre und des Magnetismus geteilt. Denn vor der Entdeckung der Wechselwirkung dieser zwei Phänomene, des Elektromagnetismus, im Jahre 1820 durch den dänischen Wissenschaftlers Hans Christian Ørsted, auf die ich im nächsten Kapitel ausführlich eingehen werde, kam niemand auch nur auf die Idee, dass eine ebensolche bestehen könnte. In den folgenden zwei Abschnitten, in die dieses Kapitel unterteilt ist, werde ich darum die wichtigsten wissenschaftlichen Ereignisse der beiden, wie gesagt, damals noch voneinander unabhängigen Forschungsgebiete erläutern.

3.1 Der Magnetismus

Das Phänomen des Magnetismus war schon lange vor unserer Zeitrechnung bekannt. So berichtete Plinius 900 v.Chr. von einem griechischen Schäfer namens Magnes, der mit seiner Herde über „ein Feld schwarzer Steine“ gewandert wäre, die ihm die eisernen Nägel aus den Sandalen und seinen Schafen den Beschlag vom Fuß gezogen hätten. Nach Plinius ist das Wort Magnet auf ebendiesen Namensgeber Magnes zurückzuführen.

Den ersten Erklärungsversuch unternahm Thales von Milet und schrieb 600 v.Chr. den Grund für die Anziehungskraft von Magnetit auf Eisen nieder. Da Bewegung in jeder Erscheinungsart damals als Anzeichen für Leben und damit transzendenter Präsenz galt, folgerte Thales, dass Magnetit eine Seele haben müsse und somit Lebewesen wäre.

Eine andere, wissenschaftlicher anmutendere Erklärung wurde von Lucretius in seinem Werk „De Rerum Natura“ im Jahre 100 v.Chr. gegeben. Er war Anhänger von Epicurus(342-270 v. Chr.) und vertrat damit die Weltanschauung, dass alle Körper aus Atomen aufgebaut wären. Unter diesen Vorraussetzungen erklärte Lucretius die Anziehungskraft eines Magnetits auf einen Eisenring folgendermaßen: Von dem Magnetit müsse etwas ausströmen, dass alle Luftmasse, die sich zwischen Magnetit und Eisenring befindet, verdrängt. Daraufhin würden sich einige Atome des Eisens in die Leere bewegen und alsbald den kompletten Eisenring nachziehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Lucretius zufolge hat der Magnet seinen Namen übrigens nicht vom Schäfer Magnes(s.o.), sondern von der griechischen Provinz, wo der Magnetit gefunden wurde, Magnesia.

Systematische und eingängig untersucht wurde der Magnetismus allerdings erst im Mittelalter. Seit dem 12. Jahrhundert ist der Kompass bekannt; im 13. Jahrhundert fand der Franzose Petrus Peregrinus de Maricourt heraus, dass sich eine magnetisierte Metallnadel ‚selbstständig’ längs eines Festmagneten ausrichtet. Peregrinus erkannte und prägte so den Begriff des magnetischen Pols.

Die logische Folgerung, dass die Erde als großer Magnet wirkt, bedachte erst William Gilbert im Jahre 1600. Er wird immer wieder der „Vater des Magnetismus“ genannt, da er die erste größere wissenschaftliche Publikation, „De Magnete“ verfasste. In dieser Abhandlung stellt er die Theorie auf, die Erde sei ein riesiger Magnet, der aus mehreren sphärischen Schalen aufgebaut ist, die gegeneinander rotieren. So erklärte er sich die In- und Deklinationswinkel, also die leichte Veränderung des Magnetfelds der Erde mit der Zeit. Tatsächlich ist die Ursache des Erdmagnetfelds immer noch nicht ganz geklärt. Ganz falsch aber lag Gilbert mit seiner Vermutung nicht, denn es wird vermutet, dass die Erde im Inneren durch Konvektion, also Transport des leitenden Kernmaterials, wie ein großer Dynamo funktioniert, der einen Strom erzeugt, wodurch wiederum das Erdmagnetfeld entsteht.

Trotzdem haftete dem Magnetismus lange Zeit ein mystischer Muff an. Niemand war imstande, eine schlüssige Erklärung zu finden und so wurde der Begriff Magnetismus zeitweise in Sinne einer allgemeinen, nicht zu erklärenden Anziehungskraft zwischen Menschen, Tieren, Pflanzen und Objekten verwendet. Man spricht zum Beispiel noch immer von dem „Zuschauermagnet“ und einer Person, von der man „magnetisch angezogen“ wird.

3.2 Die Elektrizität

Auch die Elektrostatik wurde sehr früh beobachtet und beforscht: Thales von Milet entdeckte 600 v.Chr., dass er mit einem Bernstein, den er an einem Katzenfell gerieben hatte, Federn aufheben konnte.

William Gilbert(der die Theorie, dass die Erde als großer Magnet wirkt, aufgestellt hatte), zeigte um 1600, dass das Phänomen der Anziehung von Körpern, die man stark gerieben hatte, in vielen Materialen zu beobachten war. Er benannte diese Eigenschaft nach dem lateinischen Wort für Bernstein, electrum. Außerdem kam seine Theorie, dass die „Elektrifizierung eines Körpers durch das Entfernen eines Fluides“ geschehen würde, wodurch dann eine „Atmosphäre“ zurückbliebe, kommt der modernen Vorstellung eines elektrischen Feldes schon erstaunlich nahe(Durch die Ladungstrennung wird ein elektrisches Feld erzeugt). Einige Zeit später entwickelte der Magdeburger Bürgermeister Otto van Guericke, zu seiner Zeit gelernter Ingenieur, die erste Elektrostatik-Maschine.

Der nächsten markanten Schritt in der Entdeckungsgeschichte der Elektrizität machte Stephen Gray. Er fand heraus, dass die Ladung eines elektrisch(bzw. elektrostatisch) geladenen Körpers von diesem abgezogen werden kann. Er war es also, der den Forschungsansatz dazu erbrachte, was man später als Leiter und Isolatoren bezeichnen sollte.

Bemerkenswert ist, wie schnell und für die damaligen Verhältnisse und damaligen Erkenntnisstand korrekt die Fortschritte auf diesem Gebiet gemacht wurden.

Charles Dufay beschrieb wenige Jahre später die Existenz von positiven und negativen Ladungen, auch wenn er sie damals anders nannte. Bei ihm hießen sie, etwas kurios, gläserne[vitreous] und harzige[resinous] Elektrizität, was darauf zurückzuführen ist, dass er wahrscheinlich Glas und Harz durch Reiben elektrostatisch auflud. Jedenfalls bemerkte er, dass sich „gleiche Elektrizität“ abstößt und ungleiche anzieht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Entwicklung nahm rasant ihren Lauf, und so ist es wenig verwunderlich, dass wiederum nur wenige Jahre später ein gewisser Petrus van Musschenbroek aus Leyden zeitgleich mit Ewald Jürgen Georg von Kleist den ersten Kondensator entwickelten. Heute wird er Leidener oder Kleistsche Flasche genannt. Diese Entdeckung war wohl eher ein zufälliges Produkt nicht sehr zielorientierter Versuchsaufbauten. Von Kleist wird berichtet, er habe einen eisernen Nagel in eine mit Flüssigkeit gefüllte Flasche gehängt und ihn dann mit einer Elektrostatikmaschine geladen. Als er den Nagel wieder aus der Flasche ziehen wollte und gleichzeitig die Außenseite berührte, bekam er einen saftigen Stromschlag(„[...it was all up with me[...]“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die endgültige Form bekam die Leidener Flasche erst 1748 von den Ärzten William Watson und John Bevis. In ihrer Laboranordnung beklebten sie Innen- und Außenseite der Flasche mit Stanniol, wobei sie allerdings darauf verzichteten, die Flasche mit einer Flüssigkeit zu füllen. Das Wirkungsprinzip des Kondensators wurde von ihnen also schon sehr gut erkannt.

Experimente mit statischer Ladungstrennung waren im 18. Jahrhundert vor allem am Hof weit verbreitet und als Belustigung sehr beliebt. Le Monnier, ein französischer Akademiker, verpasste bei einer Vorstellung für den König 140 Studenten einen Elektroschock und schrieb: „It is singular to see the multitude of different gestures, and to hear the instantaneous exclamations of those surprised by the shok“.(^[1] )

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die nächste wegebereitende Entdeckung machte Luigi Galvani, ein Anatomie-Professor der Universität von Bologna, und zwar über einen wirklich delikaten Umweg: Eines Tages bemerkte er, dass ein sezierter Frosch, an dem er arbeitete, zu zucken begann, wenn er mit einem eisernen Skalpell einen Nerv berührte und gleichzeitig die Elektrostatikmaschine lief. Seine erste Idee, nachdem er realisiert hatte, dass der Schenkel bei elektrischer Stimulation reagierte, war sozusagen, Wetterfrösche einmal anders zu verwenden. Die Theorie, dass Gewitter auf ein elektrisches Phänomen zurückzuführen wären, bestand zu dieser Zeit bereits, und so spießte Galvani eine Reihe sezierter Frösche auf Messinghaken und hängte sie an einer Wäscheleine vor sein Haus. Zwar zuckten sie hin und wieder, doch ein Zusammenhang mit herannahenden Unwettern war nicht zu erkennen. Vom langen Warten ermüdet, fing er an, aus Langeweile die Frösche zu kontrollieren, wobei er mit dem Finger die Messinghaken neu befestigen wollte. Als er sie drückte, fingen die Frösche an zu zucken. Er setzte die Experimente im Haus fort und bemerkte, dass ein Frosch, den er auf eine Eisenplatte gelegt hatte, dieselben Zuckungen zeigte, ohne dass er den Haken mit seinen Fingern berührte. Wenn er den Haken durch einen eisernen ersetzte, blieb der Effekt aus. Er fand heraus, dass zwei Metallarten nötig waren, am besten Zink und Messing, um die Frösche zu stimulieren. Er nahm fälschlicherweise an, dass die Ursache der Zuckung im Frosch und nicht im Eisen, also am Strom läge. Für ihn war damit klar, dass er eine neue Art Elektrizität gefunden hatte, nämlich die ‚animalische Elektrizität’.

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Wo Galvani aufgehört hatte, begann Alessandro Volta. Er glaubt nicht an die animalische Elektrizität und war stattdessen davon überzeugt, dass die Elektrizität zwischen den zwei Metallplättchen entstünde. Er unternahm etliche Versuche, von denen man viele gelinde gesagt als mutig bezeichnen kann: Einmal legte er sich ein Stückchen Zink auf den Augapfel, steckte sich einen silbernen Löffel in den Mund und verband beides mit einer Drahtleitung. Das Ergebnis war ein kräftiges Blitzen.

Durch solcherlei Versuche fand Volta heraus, dass der Kontakt von leitenden Flüssigkeiten und Metall von Bedeutung ist.

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Er baute schließlich seine Voltasche Säule, die aus 40-60 Kupferstückchen aufgebaut war, die jeweils mit einem Stückchen Zinn verbunden wurden. Zwischen jeder Kupfer-Zinn-Lage befand sich eine Pappe, die mit leitender Flüssigkeit – Kalk- oder Salzwasser – getränkt war.

Die erste funktionierende, starke Batterie war erfunden.

4 Paradigmenwechsel die Entdeckung des Zusammenhangs zw. Strom und Elektrizität

Wie so viele wichtigen Entdeckungen der Zeit kam der epochale Fortschritt, der den Elektromagnetismus begründen sollte, durch Zufall und eine letztendlich glückliche Verkettung der Umstände zustande: Kurz nach der Erfindung der voltaschen Säule, der ersten Permanentstromquelle, im Jahre 1800 war es erstmals möglich, unkompliziert mit elektrischen Ladungen und elektrischem Strom zu experimentieren. Das wurde auch ausgiebig getan - wie zum Beispiel von dem italienischen Juristen und Philosophen Giovanni Domenico Romagnosi.

4.1 Giovanni Domenico Romagnosi

Die damals anerkannte Universalenzyklopädie „Encyclopedia Britannica“ in ihrer 15. Edition nannte Romagnosi als Erstentdecker des Elektromagnetismus:

[The] discovery had been made and reported by Gian Domenico Romagnosi, an Italian jurist, in Gazetta di Trentino, 3rd August, 1802, but was ignored)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Er beobachtete schon 1802 die Ablenkung einer Magnetnadel aufgrund elektrischer Ladung. Aufgrund der schlechten und schwer zu interpretierenden Dokumentation seines Versuchs ist schwer zu sagen, ob er als Entdecker des Elektromagnetismus gelten kann oder ob er lediglich einen elektrostatischen Effekt beobachtete.

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Er schloss eine Reihe von Silberdrähten an eine voltasche Säule an, die er wie eine Kette verband. Deren Ende, an dem eine kleine silberne Kugel befestigt war, umschloss er mit einer gläsernen Röhre, um sie zu isolieren. Neben diese Anordnung stellte er einen in Holz eingefassten Kompass, den er gegenüber dem Boden mit einer Glasplatte isolierte. Es ist anzunehmen, dass Romagnosi auf der Suche nach einem elektrischen bzw. elektrostatischen Effekt war, denn er schloss den Silberdraht höchstwahrscheinlich nur an einem Ende der Batterie an – demnach hätte kein elektrischer Strom fließen können. Wenn er nun die Magnetnadel für einige Sekunden berührte, wich sie von ihrer ursprünglichen Stellung um einige Grad ab. Beim Entfernen der Silberkugel behielt die Magnetnadel ihre Position bei. Erst wenn er Daumen und Zeigefinger wiederum einige Sekunden an den Holzkasten der Magnetnadel presste, glitt diese langsam wieder in ihre Ausgangsposition. Diese Aussagen legen nahe, dass er tatsächlich nur einen elektrostatischen Anziehungseffekt beschrieb. (WARUM?)

Unglücklicherweise hatte Romagnosi nicht die geringste Vorstellung, welche Tragweite seine Entdeckung gehabt haben könnte. Er publizierte zwar einen Artikel in einer italienischen Tageszeitung^[2], welcher aber zu seiner Zeit völlig unbeachtet blieb und erst im nachhinein zu etwas historischem Ruhm erlangte. Sein Versuchaufbau war dem späterer Wissenschaftler schon sehr nahe gekommen und es hätte sicher nicht viel zur Entdeckung des Elektromagnetismus gefehlt, wenn ein motivierter Forscher sein Experiment erweitert hätte, indem er beispielsweise beide Pole der Voltaschen Säule angezapft hätte. Doch die Beobachtung geriet sofort wieder in Vergessenheit und niemand, auch nicht Romagnosi selbst, bemühte sich um Dokumentation, Verbreitung oder vertiefende Forschung. Ebensowenig beanspruchte er später, den Elektromagnetismus entdeckt zu haben.

4.2 Hans Christian Ørsted

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Fast 20 Jahre dauerte es, bis die wissenschaftliche Entwicklung eine zweite Chance erhielt. Diesmal wurde sie wahrgenommen, und zwar von dem dänischen Physiker, Philosoph und Chemiker Hans Christian Ørsted. Als Professor der Physik dozierte er seit 1817 an der Universität von Kopenhagen.

Am 21. Juli 1820 beobachtete er in einer seiner Vorlesungen beim Experimentieren mit der Voltaschen Säule, „dass die Magnetnadel sich mittels des galvanischen Apparats [Voltasche Säule/Batterie, Anm. des Verf.] aus ihrer Lage bringen lasse, und zwar bei geschlossenem galvanischem Kreise[geschl. Stromkreis, Anm. d. Verf.], und nicht bei offenem, wie vor mehreren Jahren einige berühmte Physiker umsonst es versucht haben“(^[3] ). Dass also ein stromdurchflossener Leiter eine Magnetnadel ablenkt.

Ich werde in diesem Kapitel etwas ausführlicher auf die Umstände, Entwicklungen und Experimente Ørsteds eingehen, als es unbedingt nötig ist, da ich den Entdeckungsprozess an sich wie auch hier im Speziellen sehr interessant, aufschlussreich und ausführungswert finde.

Die Geister scheiden sich bei der Frage, ob seine Entdeckung Zufall war oder aber das Resultat seiner philosophische Grundhaltung. Ørsted hatte bei Schelling Naturphilosophie studiert und war fest davon überzeugt, dass alles miteinander zusammenhängt und in allem die Einheitlichkeit steckt.

Die Quellen weichen in dieser Frage sehr voneinander ab. Einige behaupten, Ørsted hätte systematisch nach einer Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität gesucht, wie zum Beispiel Richard Alan Peters in seinem Artikel „ A Brief Outline of the History of Electromagnetism “:

Hans Christian Ørsted[...] was philosophically convinced of the unification of the forces in nature. He therefore set out to show that electricity and magnetism were related.[…]As soon as Ørsted heard of Volta’s discovery he tried to get a galvanic current to deflect a magnet.

Andere Artikel zitieren Studenten, welche die Vorlesung besuchten und berichteten, der Versuchsaufbau hätte mit Magnetismus überhaupt nichts zu tun gehabt und die Entdeckung sei vollkommen zufällig möglich geworden:

[...]a student asserts that the experiment concerned the heating of some platinum wire by means of an electric current, and that a compass needle happened by chance to be underneath the conducting wire.(^[4] )

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In jedem Fall beobachtete Ørsted, dass die Kompassnadel, die unter dem stromdurchflossenen Draht lag, abgelenkt wurde, sobald er die Voltasche Säule anschloss bzw. abklemmte oder den Draht über ihr bewegte. Diese Beobachtung, auch wenn er sie vielleicht erwartet hatte, war für ihn so verwirrend, dass er alle weiteren eingehenden Untersuchungen um einige Wochen verschob, um sich mit anderen Wissenschaftlern, die er um sich versammelte(Regierungs-Präsident Wleugel, Physiker und Hofmarschall Hauch, Professor der Naturgeschichte Reinhard, Professor der Medizin Jacobson und Dr. philos. Zeise), ganz der Erforschung des Phänomens hingeben zu können. Man sieht, dass die Beobachtungen der besagten Vorlesung reges Interesse auf den verschiedensten wissenschaftl. Arbeitsfeldern weckte. Er konnte seine Universitätskollegen davon überzeugen, eine größere Voltasche Säule(oder galvanischen Apparat, wie Ørsted es nennt) zur gemeinsamen Nutzung zu entwerfen, da die von ihm in der Vorlesung verwendete nur minimale Effekte bewirkte.

Der galvanische Apparat, dessen wir uns bedient haben, besteht aus 20 rechteckigen kupfernen Zellen, die jede 12 Zoll lang, 12 Zoll hoch und 2 ½ Zoll breit, und jede mit zwei Kupferstreifen versehen ist, welche so geneigt sind, dass die den Kupferstab tragen können, der die in der Flüssigkeit der benachbarten Zelle schwebende Zinkplatte hält. Das Wasser, womit die Zellen angefüllt wurden, war mit 1/60 seines Gewichts Schwefelsäure und mit eben so viel Salpetersäure versetzt, und der in jeder Zelle eingetauchte Theil der Zinkplatte war ein Quadrat von 10 Zoll Seite. [...](2)

Dieser Auszug verdeutlicht den enormen Aufwand, der mit Experimentierarbeit verbunden war. Und andere Forschungsprojekte forderten mit Sicherheit noch weit größere und kompliziertere Vorraussetzungen als die Konstruktion einer „einfachen“ Batterie.

Außerdem muss man sich vor Augen führen, dass es damals zudem noch keine einheitlichen Bezeichnungen für neuerforschte Phänomene gab. So schreibt Ørsted:

[...]die Wirkung aber, welche in diesem verbindenden Leiter und um denselben her vor sich geht, [werde ich] mit dem Namen elektrischer Conflict bezeichnen.

Er meint damit den natürlich den elektrischen Strom, für den es aber damals noch keinen passenden Namen gab. Die Bezeichnung „elektrischer Strom“ entstand erst drei Monate später auf Vorschlag Ampères.

Natürlich waren auch die Kommunikationsmöglichkeiten miserabel. Man konnte zwar telegrafieren, doch für einen wissenschaftlichen Austausch oder Disput war das viel zu teuer.

Um die Ursache der Ablenkung zu erforschen, die der stromdurchflossene Draht auf die Magnetnadel hatte, experimentierte Ørsted mit mehreren Versuchsanordnungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der ersten und ursprünglichen Version hielt er einen Eisendraht parallel und horizontal über eine gewöhnliche Kompassnadel(siehe Abb. 1 / Fig. 1). Dabei beobachtete er eine Abweichung der Nadel um 45°, wenn der Abstand des Leiterdrahts zu ihr nicht größer als 5/4 Zoll war. Mit größerer Entfernung verringerte sich der Ausschlag ebenso wie bei Verwendung einer schwächeren Batterie. Solange der Draht parallel zu seiner Ursprungsposition, also zum Osten oder Westen des Kompasses hin bewegt wird, hat wirkte sich dies nur auf die Stärke der Nadelauslenkung aus. Da die Richtung der Nadel sich nicht veränderte, folgerte Ørsted, dass es sich nicht um eine Art Anziehungseffekt handeln könnte.

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Durch ein anderes Experiment, in welchem er den Leiterdraht zuerst über der Magnetnadel, wobei sie nach Westen ausgelenkt wurde, und danach darunter befestigte, wobei die Nadel nach Osten wich, behauptete er schon damals, dass es dafür keine andere Erklärung geben könnte, als dass die Kraft in (spiralförmigen) Kreisen um den Leiter herum auftreten würde. Er behielt Recht!

Jedoch war auch Ørsted mit Effekten konfrontiert, die in die Dokumentation und Interpretation seiner Experimente eingestreut sind und diese verfälschen. Zitat:

„[...]denn derselbe Pol der Magnetnadel, der sich nach dem verbindenden Draht zu dreht, wenn er östlich von der Nadel ist, dreht sich von demselben abwärts, wenn er sich westlich von derselben befindet, welches nicht möglich wäre, wenn diese Abweichung auf Anziehung und Abstossung beruheten.“

Ich wurde aus dieser Aussage nicht schlau, denn in der Tat ist eine solche Beobachtung nicht mit der Wirkung eines Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter zu erklären. Nach langer Zeit fand ich eine Referenz auf eine später im Anhang eingefügte Anmerkung, die besagt, dass Ørsted hier „elektrostatische Wirkungen gemeint“ hatte.

Ørsted hatte es also alles andere als leicht mit der Erklärung und Interpretation seiner Beobachtungen.

Erst wenn man in Ørsteds Aufzeichnungen liest, wird man sich der Stimmung und der Überwältigung bewusst, die seine Entdeckung um sich herum entstehen lies:

„Der verbindende Draht wirkt auf die Magnetnadel durch Glas, durch Metalle, durch Wasser, durch Harz, durch töpferne Gefässe und durch Steine hindurch; denn als wir zwischen beide eine Glastafel, oder eine Metallplatte, oder ein Brett gebracht hatten, blieb der Erfolg nicht aus, ja selbst alle drei vereinigt schienen die Wirkung kaum zu schwächen.[...]Dass der Wirkungen Durchgang durch alle diese Materien, bei Elekticität und Magnetismus bisher noch nie ist beobachtet worden, brauche ich kaum zu bemerken. Die Wirkungen, welche in dem elektrischen Conflicte stattfinden, sind also von den Wirkungen der einen oder der anderen elektrischen Kraft gänzlich verschieden.“

5 Welle der Forschung Die Weiterentwicklung zur Elektrodynamik

Als er seine Entdeckung schließlich drei Wochen nach dem ersten Experiment veröffentlichte, schlug sie große Wellen. Anders als Giovanni Ramagnosi war Hans Christian Ørsted ein bekannter Wissenschaftler mit hervorragender Reputation in einschlägigen akademischen Kreisen.

5.1 Anrdré Marie Ampère

Dominique F. J. Arago war damals Leiter der französischen „Académie des Sciences“, die am 4. September 1820 von der Entdeckung erfuhr. Er war davon so fasziniert, dass er Ørsteds Experimente am 11. September der Akademie vorführte.

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Unter den Zuschauern befand sich ein gewisser Anré Marie Ampère, der an der Vorführung so großen Gefallen fand, dass er sich sofort in die Arbeit stürzte. Innerhalb von einer Woche hatte er eine komplette Theorie zu Ørsteds Beobachtungen entwickelt und legte so den Grundstein für die mathematische Entwicklung des Elektromagnetismus, wofür er heute als Begründer der Elektrodynamik so bekannt ist.

Er erkannte, dass die fließende Elektrizität die eigentliche Ursache für die Magnetwirkung eines Leiters ist. Im heutigen, metrischen System ist die Einheit Ampere für den elektrischen Stromfluss darum auch wie folgt nach dessen magnetischer Wirkung definiert:

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Die Einheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je ein Meter Leiterlänge die Kraft 2^10-7 Newton hervorrufen würde.

In seiner Theorie beschrieb er, dass sich zwei elektrizitätsführende Leiter anziehen, wenn ihre Stromrichtung gleich ist und andersherum sich die Leiter abstoßen, wenn die Stromrichtungen verschieden sind(s. Def. d. Einheit Ampere).

Folgende von ihm aufgestellte Formeln bildeten wie schon gesagt das Fundament der Elektrodynamik.

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Im Abstand d erzeugt ein langer, gerader, vom Strom I durchflossener Leiter das Magnetfeld B

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Dieses Magnetfeld B übt auf ein (weiteres) vom Strom I2 durchflossenes Leiterelement dl die Kraft

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aus.

Und zwei parallele, gerade Leiter erzeugen schließlich folgenden Kraftbetrag

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Seine entgültigen und ausgearbeiteten Resultate veröffentlichte er mit seinen Abhandlungen "Recueil d'observations électrodynamiques" (1822) und "Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques" (1826). Außerdem entwickelte er das Prinzip des sogenannten Galvanometers, dem Strommessgerät.

5.2 Kurzer Einblick in die weitere Entwicklung der Elektrodynamik

Die folgenden Entdeckungen und Publikationen reihten sich in kurzen Abständen aneinander und die Entwicklung war enorm rasant.

Arago fand auf einen Vorschlag von Laplace hin zeitgleich mit Ampère heraus, dass man das Magnetfeld in hohem Grade verstärken konnte, wenn man den Leiterdraht zu einer Spule wickelte und in noch stärkerem Maße wenn man die Spule gleichzeitig auf einen Eisenkern wand.

Die heute als Ohmsches Gesetz bekannte Formel publizierte Georg Simon Ohm im Jahre 1827, was der ganzen Elektrizitätslehre einen erneuten Stoß gab und sie nach vorne katapultierte.

Jean-Baptiste Biot und Felix Savart entdeckten kurz darauf die Formel zu Berechnung der Kraft zwischen einem langen, geraden Leiter und einem magnetischen Pol. Ich werde auf die Details, die in einer jeden dieser Entdeckungen stecken, nicht mehr im Besonderen eingehen, da dieses Kapitel als Ausblick auf die Entwicklung der Elektrodynamik konzipiert ist, die mit der Entdeckung des Elektromagnetismus nur noch wenig zu tun hat.

1831 entdeckte Michael Faraday die magnetische Induktion, also den Effekt, dass ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung in einem Leiter erzeugt, und konstruierte mit diesem Wissen den ersten Dynamo. Endlich war man nicht mehr von chemisch erzeugter Elektrizität abhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurze Zeit später wurde die Selbst-Induktion von dem New-Yorker Professor Joseph Henry entdeckt und von dem Physiker Heinrich F. Emil Lenz aus Estland verfeinert.

Die Epoche der modernen Elektrodynamik wurde schließlich 1864 durch das Werk des schottischen Theoriephysikers James Clerk Maxwell eingeläutet. Es bestand aus ursprünglich 20 Gleichungen, die auf denen Ampères aufbauten und die komplexe Elektrizitätslehre möglich machten.

6 Nachwort

Auch wenn das Thema auf den ersten Blick trocken erscheint, hatte ich, wenn es auch arbeitsintensiv und manchmal zermürbend war, viel Spaß bei der Arbeit. Es ist etwas völlig anderes, eine geschichtliche und (dazu wissenschaftliche) Entwicklung selbst aufzuarbeiten als beispielsweise im Geschichtsbuch das fertige, mit pädagogischem Konzept versehene Material auf dem Silberteller serviert zu bekommen. Mich hat es fasziniert, die Gedankengänge und Theorien aus dem heutigen Blickpunkt und Wissensstand nachzudenken. Ein Fehler, der Ørsted unterlief, gab auch mir beim Lesen öfters kräftig zu denken.

Auch zu sehen, dass trotz der komplizierten Verstrickung von Messfehlern, falschen Denkansätzen, schlechtem Experimentiermaterial, fehlerhaften Versuchaufbauten, miserablen Kommunikationsmitteln und der Tatsache, dass so viele Schritte nur eines Zufalls wegen, der genau zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle eintrat, möglich waren, macht es mir im Nachhinein fast unmöglich zu glauben, dass die Entwicklung so „gut geklappt“ hat.

An dieser Stelle möchte ich mich außerdem bei Herrn Bühler für seine wertvollen Tipps bedanken.

Ich habe versucht, meine Arbeit auf die wichtigen Punkte zu konzentrieren, um sie nicht unnötig zu überladen und so kurzweilig wie möglich zu halten. Ich hoffe, es ist mir einigermaßen gelungen.

7 Anhänge

7.1 Anhang A “Articolo sul galvanismo” von Giovanni Dom. Romagnosi

Die Übersetzung des Artikels aus der italienischen Zeitung „Ristretto dei foglietti universali di Trento“ vom 3. August 1802

Councillor Mr. Giandomenico Romagnosi, a dweller in this city who is known to the literary republic for other profound productions of his, makes haste to communicate to the European physicists an experiment concerning the galvanic fluid applied to magnetism.

Mr. Volta’s pile was prepared, built of round pieces of zinc and copper, alternating with pieces of humid flannel with water impregnated with ammoniac salt; a silver wire, divided in several pieces like a chain, was attached to the pile. The last segment of the chain passed through a glass tube, and from its exterior termination there stretched a pure silver knob attached to the chain.27

After this was done, he took an ordinary magnetic needle, in the form of a nautical compass, boxed in a square wood plank; and lifting up the crystal that enclosed it, he put it over a glass insulator, near the aforementioned pile.28

Then, taking the silver chain and holding it by the above-mentioned glass tube, he applied its end or knob to the magnetic needle; and keeping the contact for a few seconds, he made the needle deflect from the direction of the poles by a few degrees. Taking off the silver chain, the needle remained steady in the divergent direction that was given to it. He again applied the same chain, and made the needle diverge even more from the polar direction, and the needle always remained in the same place in which it was left, in such a way that the polarity remained completely damped.29 In order to verify this result again, he approached the magnetic needle, as close as possible (without touching it, however), now with a piece of watch spring, then with other iron instruments, which beforehand produced a strong attraction upon the same needle even from a distance four times larger; but when it was under the effect of galvanism, they were unable to move it even a hair’s breath.30

This is what Mr. Romagnosi did afterwards, to restore the polarity. Between the thumb and forefinger of both hands he pressed the ends of the small isolated wood box, without shaking it, and kept it this way for some seconds. The magnetic needle was seen then to move slowly and regain its polarity, not at once but through successive pulsations, like the hand of a watch31 designed to measure seconds.32

This experiment was performed in the month of May and was repeated in the presence of witnesses. In those circumstances he also obtained, without difficulty, an electric attraction at a noticeable distance. He made use of a thin thread soaked in water with ammoniac salt, and attached it to a glass pen. Then he approached the above mentioned silver chain to the thread, at a distance of about one line [1/12 inch], and observed that the thread twisted and flew to join the chain knob, always keeping attached to it as in electric experiments.33

Mr. Romagnosi thinks that it is his duty to publish this experiment that will be joined to other ones in a memoir that he is composing on galvanism and electricity. He reserves for that work the account of an atmospheric phenomenon that happens every year in a place of Tyrol close to Prenner, strongly affecting its whole population and submitting it to all the effects of galvanism.

8 Quellenangaben

Hans Christian Ørsted: Versuche über die Wirkung des elektrischen Conflicts auf die Magnetnadel

Hans Christian Ørsted: Der Geist in der Natur

Dänische Rundschau: Sonderausg.(1977): Hans Christian Ørsted : 1777 - 1977

Michael Fowler: Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/E&M_Hist.html

Roberto de Andrade Martins: Romagnosi and Volta’s Pile: Early Difficulties in the Interpretation of Voltaic Electricity http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Nuova%20Voltiana3_PDF/cap4/4.pdf

E.T. Whittaker’s: A Ridicously Brief History of Electricity and Magnetism http://maxwell.byu.edu/~spencerr/phys442/node4.html

Richard Alan Peters II: A Brief Outline of the History of Electromagnetism http://www.vuse.vanderbilt.edu/~rap2/papers/em_history.pdf

Dieter Vollhardt: Magnetismus Von der Antike in die Gegenwart http://www.physik.uni-augsburg.de/theo3/Talks/Magnetismus_Vortrag_SFB_Juli2005.pdf

J J O'Connor u. E F Robertson: André Marie Ampère http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Ampere.html

Frederick Gregory: Ørsted and the Discovery of Electromagnetism http://www.clas.ufl.edu/users/fgregory/oersted.htm

Dr. David P. Stern: Magnetismus von Gilbert bis 1820 http://www.phy6.org/stargaze/Sstern.htm

Eric W. Weisstein: Hans Christian Oersted http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/geschichte/oersted/oersted.htm

Die Geschichte von André Marie Ampere http://www.devcon3.de/andre-marie-ampere.htm

Definition der Stromstärkeeinheit http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph07_g8/geschichte/06amperedefn/amperedefn.htm

Das Amper’sche Gesetz http://htc.physik.hu-berlin.de/~mitdank/dist/scripten/amperesches-gesetz.htm

Außerdem verwendete ich viele Informationen und Bilder der freien Enzyklopädie wikipedia

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^[1] Michael Fowler: Historical Beginnings of Theories of Electricity and Megnetism

^[2] Gazetta di Trentino vom 3. Aug. 1802, siehe Anhang A

^[3] H. Chr. Oersted: Versuche über die Wirkung des elektrischen Conflicts auf die Magnetnadel, dt. Übersetzung

^[4] aus dem Artikel „ Oersted and the Discovery of Electromagnetism “ von Frederick Gregory