Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Einleitung
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1 Elektrostatik
1.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Die Coulomb-Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Das Coulombsche Gesetz, elektrostatisches Feld . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Die Delta-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Differentialoperatoren und Integralsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Das Flächenintegral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Divergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Der Gaußsche Integralsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Die Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.5 Der Stokessche Integralsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.6 Eindeutigkeitssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Die Grundgleichungen des elektrostatischen Feldes . . . . . . . . . . . . .
1.5.1 Bedeutung des elektrostatischen Potentials und Energieinhalt des
elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Ladungen in Metallen; Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1 Massiver geladener metallischer Körper . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.2 Geladener metallischer Hohlraum . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.3 Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Randwertprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.1 Beispiele, Spiegelladungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.2 Eindeutigkeit der Lösung des Randwertproblems . . . . . . . . . .
1.8 Versuche zur Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.9 Multipolentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10 Dipole in der Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.1 Induzierte Dipole und Verschiebungspolarisation . . . . . . . . . .
1.10.2 Permanente Dipole und Orientierungspolarisation . . . . . . . . .
1.10.3 Ferroelektrische Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.4 Versuche zur Aufladung und Polarisation von Isolatoren . . . . . .
1.10.5 Wechselwirkende Dipole: Quantitative Betrachtungen . . . . . . .
1.11 Der Plattenkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.11.1 Das elektrische Feld einer unendlich großen metallischen Platte . .
1.11.2 Das elektrische Feld im unendlich großer Plattenkondensator . . .
1.11.3 Das elektrische Feld im endlich großen Plattenkondensator . . . .
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INHALTSVERZEICHNIS
1.11.4 Das Potenzial im Plattenkondensator . . . . . . . . .
1.11.5 Experimente zum Potenzial . . . . . . . . . . . . . .
1.11.6 Die Kapazität des Plattenkondensators . . . . . . . .
1.11.7 Energie des Plattenkondensators . . . . . . . . . . . .
1.11.8 Parallel- und Reihenschaltungen von Kondensatoren .
1.11.9 Freie Ladungen im Kondensator . . . . . . . . . . . .
1.11.10 Kondensator mit Dielektrikum . . . . . . . . . . . . .
1.12 Makroskopische Elektrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.12.1 Polarisation, dielektrische Verschiebung . . . . . . . .
1.12.2 Grenzbedingungen der Elektrostatik . . . . . . . . .
1.12.3 Energieinhalt des elektrischen Feldes im Medium . .
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2 Stromfluss durch Leiter; elektrischer Widerstand
2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Einfache Schaltungen mit Ohmschen Widerständen; Kirchhoffsche Regeln
2.2.1 Ideale Spannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Reale Spannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Reihenschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Parallelschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.6 Amperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.7 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.8 Leistungsmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.9 Widerstandsmessung: Vierpunktmethode . . . . . . . . . . . . . .
2.2.10 Widerstandsmessung: Wheatstone-Brückenschaltung . . . . . . .
2.3 Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Moderne Messverfahren zur Bestimmung von Ampere, Volt und Ohm . .
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3 Magnetostatik
3.1 Einführende Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Gesetze von Biot-Savart und Ampere . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Experimente zur Lorentzkraft . . . . . . . . . . . . .
3.3 Die Differenzialgleichungen der Magnetostatik . . . . . . . .
3.4 Das magnetische Feld einer lokalisierten Stromverteilung . .
3.5 Kraft auf magnetische Dipole in einem äusseren Magnetfeld
3.6 Magnetische Kräfte und Drehmoment: Versuche . . . . . . .
3.7 Das magnetische Feld in Materie . . . . . . . . . . . . . . .
~ und H
~ an Grenzflächen . . . .
3.7.1 Das Verhalten von B
3.8 Magnetische Dipole in der Natur . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.1 Einige Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.2 Induzierte Dipole, Diamagnetismus . . . . . . . . . .
3.8.3 Permanente Dipole; Paramagnetismus . . . . . . . .
3.8.4 Ferromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.5 Weitere Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
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INHALTSVERZEICHNIS
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4 Maxwell-Gleichungen
4.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Versuche zum Faraday’schen Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Veränderliche Fläche der Leiterschleife . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Rotierende Leiterschleife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Rotierende Spule im Erdfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Spannungsinduktion in einer Leiterschleife:
Zeitliche Änderung des Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Induktionsgesetz bei zeitlich veränderlichem Magnetfeld: Quantitative Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Wechselstromgeneratoren und Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Maxwellscher Verschiebungsstrom, Potenziale . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Potenziale der Elektrodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Energie der elektromagnetischen Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Spulen und einfache elektronische Schaltungen
5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Induktitivität einer Spule . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2 Energieinhalt einer Spule . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 Spezielle Spulentypen . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 Spulen mit Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.5 Erzeugung von Magnetfeldern . . . . . . . . . . . .
5.1.6 Messung von Magnetfeldern . . . . . . . . . . . . .
5.2 Schaltungen mit Induktivitäten und anderen Bauelementen
5.2.1 Auf- und Entladen einer Spule . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Spule unter Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Komplexe Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.4 Leistung unter Wechselspannung . . . . . . . . . .
5.2.5 Zweipole und Vierpole . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.6 Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.7 Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.8 Serieller Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.9 Paralleler Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.10 Selbsterregender Schwingkreis . . . . . . . . . . . .
5.2.11 Transistoren und andere verstärkende Bauelemente
5.2.12 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6 Elektromagnetische Wellen
6.1 Lösung der Maxwellschen Gleichungen in einem Isolator . . . . .
6.2 Erzeugung von elektromagnetischen Wellen . . . . . . . . . . . .
6.3 Überlagerung von elektromagnetischen Wellen . . . . . . . . . .
6.4 Wellen in einem leitenden Medium . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Der Skineffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Frequenzabhängige Dielektrizitätskonstante . . . . . . .
6.5 Erzeugung, Übertragung, Empfang von Radio- und Mikrowellen
6.5.1 Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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INHALTSVERZEICHNIS
6.6
Empfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.6.1 Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.6.2 Homodyn- und Heterodyn-Empfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
7 Spezielle Relativitätstheorie
7.1 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . .
7.2 Der 4-dimensionale Raum . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Lorentz Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Einige Konsequenzen aus der Lorentz Transformation
7.5 Relativistische Bewegungsgleichung . . . . . . . . . .
7.6 Relativitätstheorie und Elektrodynamik . . . . . . . .
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Einleitung
Im kommenden Semester werden wir uns mit physikalischen Vorgängen beschäftigen, die
mit elektrischen Ladungen zusammenhängen. Wir werden sehen, dass sich eine Vielzahl
von Erscheinungen, von der statischen Reibungselektrizität über Stromfluss und Magnetismus bis hin zu elektromagnetischen Wellen sehr elegant und einheitlich beschreiben
lassen.
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EINLEITUNG