Energieströme im elektromagnetischen Feld

Felder zum Anfassen
Energieströme im
elektromagnetischen Feld
Peter Schmälzle
STAATLICHES
SEMINAR
Didaktik
STAATLICHES SEMINAR
für für
Didaktik
und und
Lehrerbildung (Gymnasien)
KARLSRUHE
Lehrerbildung
(Gymnasien)
KARLSRUHE
04.07.2016
Energieströme im elektromagnetischen Feld
Anliegen dieser Veranstaltung:
Felder als physikalische Systeme ernst nehmen
Beschreibung von Systemen:
mit Hilfe physikalischer Größen
„übergreifende“ Größe: Energie
Energiedichte E
Energiestromdichte
Werden Felder ernst genommen,
wenn es um Energiebetrachtungen geht?
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Werden Felder ernst genommen,
wenn es um Energiebetrachtungen geht?
Stichwort:
Elektromagnetische Wellen
Poynting-Vektor
„S gibt die mittlere Strahlungsleistung pro Fläche
einer elektromagnetische Welle an“ (Metzler)
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Kondensator und Spule als Energiespeicher
Energie im Kondensator:
Energie in der Spule:
Wie kommt die Energie
in den Kondensator
und die Spule?
Mit dem Energieträger
Elektrizität (beim Aufladebzw. Einschaltvorgang)!
Die bildhafte Vorstellung
des „Energieträgers“ ist
nicht wörtlich zu nehmen
Grenzen beachten!!
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Energieübertragung im Transformator
Wie kommt die Energie
hierbei vom Primärkreis
in den Sekundärkreis?
An dieser Stelle
könnte man auf die wichtige
Funktion der Felder für den
Energietransport eingehen
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
G. Mie: Entwurf einer allgemeinen Theorie der Energieübertragung,
Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften.
CVII. Band VIII. Heft (1898), S. 1113 ff
Poynting-Vektor
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Anwendung: Der einfache elektrische Stromkreis
1
2
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Anwendung: Der einfache elektrische Stromkreis
1
2
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Anwendung: Der einfache elektrische Stromkreis
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Ohmscher Widerstand
Quelle:
D. Plappert, „Zur Lokalisation von Energieströmen“ ;
Praxis der Naturwissenschaften Physik, Heft 2/57 (2008), Aulis-Verlag
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Kondensator
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Kondensator
Ohmscher Widerstand
Energiespeicherung im elektrischen Feld
X-Dichte
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Energiedissipation im Widerstand
X-Stromdichte
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X-Quelldichte
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Kondensator
Ohmscher Widerstand
Energiespeicherung im elektrischen Feld
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Energiedissipation im Widerstand
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Kondensator
Ohmscher Widerstand
Energiespeicherung im elektrischen Feld
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Energiedissipation im Widerstand
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
IGES = I1 + I2 = 0
IGES = I1 + I2 = 0
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Flächenhafte Leitungen
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Flächenhafte Leitungen
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Flächenhafte Leitungen
Energiestromdichte
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Koaxialkabel
2 < 1
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Koaxialkabel
2 < 1
Folge: Die Energieübertragung erfolgt nur im Bereich zwischen
Innen- und Außenleiter
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Koaxialkabel bei Wechselspannung
Folge: ständige Änderung der Polarität
2 < 1
2 > 1
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Koaxialkabel bei Wechselspannung
Die Energiestromdichte behält ihre Richtung bei
2 < 1
2 > 1
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Transformator
 
H
 dr  n1 I1
A
im Inneren des Kerns: Hi  0
zum Integral trägt im Wesentlichen nur ein
Magnetfeld im Außenbereich zwischen den
Schenkeln des Kerns bei
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Transformator


B
rot E  
t
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Weitere Beispiele für Energieströme im elektromagnetischen Feld
Transformator
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Energieströme im elektromagnetischen Feld
Zusammenfassung
– Die Frage nach dem „Weg der Energie“ ist im Physikunterricht erwünscht und angebracht.
– Das „naive Bild des Energieträgers“ sollte dabei nicht zu
sehr strapaziert werden.
– Am Beispiel des Transformators lässt sich (qualitativ)
zeigen, wie wichtig elektrisches und magnetisches Feld für
die Energieübertragung sind.
– Der Poynting-Vektor liefert nicht nur bei elektromagnetischen
Wellen die korrekte Energieströmung!
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