Lorentz` Elektronentheorie

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Biographie
Vorbilder und Inspirationen
Der Äther
Die Elektronentheorie
Reaktionen anderer auf Lorentz
Das elektromagnetische Weltbild
Lorentz’ Elektronentheorie
Elektrodynamik im 19. Jahrhundert
Sabine Weishäupl
27. Januar 2009
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Inhalt
1
Biographie
2
3
Der Äther
4
Lorentz’ Hypothesen
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Antwort auf das Michelson-Morley-Experiment
5
6
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Biographie
Hendrik Antoon Lorentz
wurde am 13. Juli 1853 in
Arnheim geboren.
1870 ging er für ein Studium
der Mathematik und Physik
an die Universität Leiden.
1875 behandelte er in seiner
Doktorarbeit ’Sur la théorie
de la réflexion et de la
réfraction de la lumiére’ auf
Grundlage der
Maxwell-Theorie die
Brechung und Reflexion des
Lichts.
Sabine Weishäupl
Abbildung: Hendrik Antoon Lorentz
Biographie
Der Äther
Biographie
1878 nahm er den ersten
niederländischen Lehrstuhl
für theoretische Physik an
der Universität Leiden an.
1881 heiratete Lorentz
Aletta Catharina Kaiser.
1892 veröffentlichte er die
Elektronentheorie.
1902 erhielt Lorentz den
Nobelpreis für Physik.
verstarb am 4. Februar 1928
in Haarlem.
Sabine Weishäupl
Abbildung: Aletta Catharina Kaiser
Biographie
Der Äther
Solvay-Kongresse
Abbildung: Solvay-Kongress 1927
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Abbildung: Lorentz und Einstein
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Abbildung: Lorentz und Einstein
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Vorbilder und Inspirationen:
Fresnel: Wellentheorie des
Lichts mit Äther
Maxwell: Nahwirkungsprinzip
Helmholtz und Weber:
Fernwirkungsprinzip
van der Waals: Atomistische
Struktur der Materie
Abbildung: Hendrik Antoon Lorentz
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Der Äther
2 konkurrierende Äthermodelle:
mitgeführter Äther von
Stokes
ruhender oder unbeweglicher
Äther von Fresnel
von Maxwell und Hertz
verwendet
von Lorentz bevorzugt
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
Äther:
Ionen:
sehr kleine geladene Teilchen
unbeweglich
starre Körper mit Masse
vollkommen transparent für
Materie
mit begrenztem Radius und
gewisser Ladungsdichte
Rahmen für die
Maxwell-Gleichungen
⇒ Wechselwirkung nur zwischen Ladungen und Äther
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
~ = (f , g , h)
Dielektrische Verschiebung D
∂g
∂h
∂f
+
+
=0
∂x
∂y
∂z
~ =0
divD
∂f
∂g
∂h
+
+
=ρ
∂x
∂y
∂z
~ =ρ
divD
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
Verschiebungsstromdichte ~j = (u, v , w )
∂f
u = ρξ +
∂t
∂g
v = ρη +
∂t
∂h
w = ρζ +
∂t
Sabine Weishäupl
~
~j = ρ · ~v + ∂ D
∂t
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
~ = (α, β, γ)
Magnetische Feldstärke H
∂γ
∂α ∂β
+
+
=0
∂x
∂y
∂z
∂γ
∂β
∂f
−
= 4π(ρξ +
)
∂y
∂z
∂t
∂α ∂γ
∂g
−
= 4π(ρη +
)
∂z
∂x
∂t
∂β
∂α
∂h
−
= 4π(ρζ +
)
∂x
∂y
∂t
Sabine Weishäupl
~ =0
divH
~ = 4π(ρ~v +
rotH
~
∂D
)
∂t
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
4πc 2 (
∂g
∂h
∂α
−
)=−
∂z
∂y
∂t
∂h ∂f
∂β
4πc 2 (
−
)=−
∂x
∂z
∂t
∂f
∂g
∂γ
4πc 2 (
−
)=−
∂y
∂x
∂t
Sabine Weishäupl
~
~ = − ∂H
4πc 2 rotD
∂t
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Lorentz - Kraft
~ = (X , Y , Z )
Lorentz - Kraft F
Z
Z
X = 4πc 2 ρfdτ + ρ(ηγ − ζβ)
Y = 4πc
2
Z = 4πc 2
Z
~ = 4πc 2 D
~ + ~v × H
~
F
Z
ρgdτ +
Z
ρ(ζα − ξγ)
Z
ρhdτ +
ρ(ξβ − ηα)
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Lorentzkraft
Abbildung: Lorentzkraft
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
Der Zustand des Äthers wird durch einen elektrischen und
magnetischen Vektor vollständig beschrieben.
Jedes geladene Teilchen verändert an seinem Ort den Zustand des
Äthers, indem es elektrische Kräfte im Äther verursacht. Wenn das
Teilchen in Bewegung ist, verursacht es zusätzlich magnetische
Kräfte im Äther.
Diese zunächst nur lokalen Störungen breiten sich dann gemäß
Maxwellscher Ätherdynamik mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Wenn diese sich ausbreitenden Störungen auf ein elektrisches
Teilchen treffen, üben sie auf es eine elektrodynamische Feldkraft
aus.
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Elektronentheorie
~ =ρ
divD
~ =0
divH
~ = 4π(ρ~v +
rotH
~
∂D
)
∂t
~
~ = − ∂H
4πc 2 rotD
∂t
~ = 4πc 2 D
~ + ~v × H
~
F
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Lorentz’ Synthese
Synthese des britischen und kontinentalen Gedankenguts:
Großbritannien:
europäisches Festland:
Nahwirkung von Maxwell
und Maxwellianern
Substanzvorstellung der
Ladung von Weber und
Helmholtz
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Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Michelson-Morley-Experiment
Abbildung: Messung des Ätherwindes
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Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Michelson-Morley-Experiment
Abbildung: Michelson-Interferometer
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Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Lorentz-Transformation
∂2
1 ∂2
∂2
1 ∂
∂
−
→
− 2 ( −v )2
2
2
2
2
∂x
c ∂t
∂x
c ∂t
∂x
x0 = γ · x
y0 = y
z0 = z
t
γ · vx
t0 = −
γ
c2
1
γ=q
1−
v2
c2
Abbildung: Lorentztransformation
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Lorentz - Kraft
Lorentz’ Synthese
Lorentz-Transformation und Lorentz-Invarianz
x 0 = γ(x − vt)
y0 = y
z0 = z
t 0 = γ(t −
1
γ=q
1−
x → x − vt
2
2
2
2
∂
1 ∂
∂
1 ∂
− 2 2 →
− 2 2
2
2
∂x
c ∂t
∂x
c ∂t
Sabine Weishäupl
vx
)
c2
v2
c2
Biographie
Der Äther
Reaktionen auf die Elektronentheorie:
Viele Anhänger der Elektronentheorie: Wien, Drude, Planck
Die Elektronentheorie führte zu einem rein elektromagnetischen
Verständnis der Physik.
Kritik: Herleitung basiert teilweise auf mechanischen Konzepten.
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Das elektromagnetische Weltbild:
Das elektromagnetische Weltbild sollte das mechanische Weltbild
verdrängen.
Im mechanischen Weltbild waren die Grundgrößen die Massen.
Im elektromagnetischen Weltbild versuchte man alle
Naturerscheinungen auf die Grundgrößen Äther und Ladungen
zurückzuführen.
Grenzen: Relativitätstheorie, Quantenphysik
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Zusammenfassung
Zitat von Albert Einstein:
’Ihr Einfluss auf die Entwicklung der Physik ist ein derart entscheidender
gewesen, dass niemand sagen kann, wann die Wissenschaft den Einfluss
der Materie und ihrer Bewegungen auf die elektromagnetischen und
optischen Vorgänge ohne Ihre Forschungen richtig erkannt hätte. Indem
sie Maxwells Lebenswerk in konsequenter Weise fortsetzten, haben Sie
nicht nur die Beziehungen der Materie zum elektromagnetischen Feld
aufgeklärt, sondern damit der Relativitätstheorie und der elektrischen
Theorie der Materie die Basis geliefert. Ihr Werk ist von so
bewundernswürdiger Geschlossenheit, dass man seine axiomatische Basis
in einem einzigen Satz zusammenfassen kann: Die Maxwellschen
Gleichungen des leeren Raumes gelten überall, und die Materie wirkt
elektromagnetisch einzig dadurch, dass ihre kleinsten Teilchen Träger
elektrischer Ladungen sind.’
Sabine Weishäupl
Biographie
Der Äther
Quellen
Schaffner, Kenneth F.: Nineteenth-Century Aether Theories
de Haas-Lorentz, G. L.: H.A. Lorentz, Impressions of his life und
work
McCormmach, Russel: H.A. Lorentz and the Electromagnetic view of
Nature
von Meyenn, Karl: Hendrik Antoon Lorentz
Sabine Weishäupl

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