Physik I (MAVT) - ÜS07, Elektromagnetische Wellen
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Übungsstunde 7 Dienstag, 3. November 2015 11:13 Lernziele: Elektromagnetische Wellen - Erweitertes Durchflutungsgesetz (4. Maxwellgleichung) & Maxwell'scher Verschiebungsstrom (Mikroskopische) Maxwellgleichungen Wellen Elektromagnetische Wellen & Licht Induktivität . Erweitertes Durchflutungsgesetz Wiederholung: Mikroskopische Maxwellgleichungen (Maxwellgleichungen im Vakuum) Differentielle Form Integrale Form (M1) Gauss'sches Gesetz (M2) Gauss'sches Gesetz für Magnetfelder (M3) Faraday'sches Induktionsgesetz (M4) Ampère-Maxwell'sches Gesetz (Erweitertes Durchflutungsgesetz) Erweitertes Durchflutungsgesetz/Ampère-Maxwell'sches Gesetz/4. Maxwellgleichung Beispiel: Aufladen eines Kondensators (keine Elektrostatik!) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Displacement _current_in_capacitor.svg Screen clipping taken: 03.11.2015 12:38 (Physik I (MAVT)-Skript von Prof. Wegscheider) Ampère'sches Gesetz Differentielle Form Integrale Form Ampère'sches Gesetz (1. Form des Durchflutungsgesetzes) (M4-MS) /(M4-A) - Annahme für Ampère'sches Gesetz: Magnetostatik oder etwas allgemeiner Für obiges Beispiel erhalten wir nach dem (alten) Ampère'schen Gesetz: - Für gilt: - Für gilt: - Aber: Widerspruch Lösung: Ampère-Maxwell'sches Gesetz Differentielle Form Integrale Form (M4) Ampère-Maxwell'sches Gesetz (Erweitertes Durchflutungsgesetz) Für obiges Beispiel erhalten wir nun: - Für gilt nun: kein Widerspruch mehr! Verschiebungsstrom - hat die Einheit eines Stromes "fiktive" Definition eines Stromes, obwohl keine Ladungen verschoben werden man kann sich den Strom über den nichtleitenden Raum fortgesetzt denken (M4) kann man nun schreiben als: Übungsstunde (Nuhro Ego) Page 1 Induziertes magnetisches Feld (M4-V): Für : - Analog für :… Insgesamt: Wellen Definition - wörtlich: Welle = räumlich sich ausdehnende Störung oder Schwingung einer orts- und zeitabhängigen physikalischen Grösse - mathematisch: Wellen = Lösungen der Wellengleichung: ○ : Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle oder ○ Laplace-Operator in D (Kartesische Koordinaten): ○ D'Alembert-Operator: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle (hier Lichtgeschwindigkeit ) Typen - Mechanische Wellen: an ein Medium gebunden (Schallwellen, Wasserwellen, Seilwellen, …) - Wellen ohne Medium: können sich auch im Vakuum ausbreiten (Licht, …) Wichtige Eigenschaften - Wellen transportieren Energie, jedoch keine Materie Beispiele 1. Beliebige Welle (Wasserwelle) 2. Harmonische (ebene) Welle (Elektromagnetische Welle) 3. Harmonische (ebene) Welle (Elektromagnetische Welle) 4. Wellenpaket Screen clipping taken: 31.10.2013 01:52 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:2006-01-14_Surface_waves.jpg) Screen clipping taken: 31.10.2013 02:17 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wave _packet_%28dispersion%29.gif) Screen clipping taken: 31.10.2013 01:58 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electromagneticwave3Dfromside.gif) Screen clipping taken: 31.10.2013 02:06 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electromagneticwave3D.gif) 5. Verschiedene Wellenformen 6. Stehende Wellen (1D) 7. Stehende Welle (2D, Trommel) Screen clipping taken: 31.10.2013 02:19 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode21.gif) Screen clipping taken: 31.10.2013 02:18 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Standing_waves_on_a_string.gif) Screen clipping taken: 27.11.2012 12:58 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Waveforms.svg) Einfache Lösungen der Wellengleichung - Wellengleichung: oder ○ 1D: ○ 2D: ○ 3D: ○ D: - Ebene Welle: , : bel. Funktionen, zeigt in räumliche Ausbreitungsrichtung der Welle Screen clipping taken: 31.10.2013 03:10 (http://commons.wikimedia.org/wiki/Fil , : bel. Funktionen - Sphärische Welle: e:Plane_wave_animation.gif) - Hier: ist eine Superposition einer auslaufenden ( ) und einer einlaufenden Welle ( ) - Aber auch: http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/maxwell-gleichungen-physiker-berechnen-felder-aus-verknotetem-licht-a-929825.html Harmonische Wellen Übungsstunde (Nuhro Ego) Page 2 Screen clipping taken: 31.10.2013 03:12 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:S pherical_Wave.gif) Harmonische Wellen Harmonische Welle = Welle ist eine periodische sinusförmige (also auch Cosinus!) Funktion - Ebene harmonische Welle: - Sphärische harmonische Welle: Wichtige Beziehungen für Wellen - Wellenvektor : zeigt in Ausbreitungsrichtung - (Kreis-)Wellenzahl: - Wellenzahl: - Wellenlänge : - Kreisfrequenz : - Frequenz : - Phasengeschwindigkeit (Dispersionsrelation) : Screen clipping taken: 27.11.2012 13:03 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9f/ Onda.svg) - Gruppengeschwindigkeit: Screen clipping taken: 27.11.2012 12:42 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Nonsinusoidal_wavelength.JPG) Elektromagnetische Wellen/"Licht" - Elektromagnetische Welle = fortschreitende Welle aus - und -Feld : - Vektoridentität für beliebiges 3D-Vektorfeld ○ Beweis (kartesische Koordinaten): mit (siehe Wikipedia für Herleitung: https://de.wikipedia.org/wiki/Levi-Civita-Symbol#Anwendungen ): Mikroskopische Maxwellgleichungen im Vakuum - Im Vakuum gilt: Differentielle Form Integrale Form (M1-V) (M2) Gauss'sches Gesetz für Magnetfelder (M3) Faraday'sches Induktionsgesetz (M4-V) - Wellengleichung für -Feld: oder mit : Vakuumlichtgeschwindigkeit oder mit : Vakuumlichtgeschwindigkeit ○ Beweis: Rotation von (M4-V): - Wellengleichung für -Feld: ○ Beweis: Rotation von (M3) & analog zu oben Eigenschaften - Phasengeschwindigkeit: = Vakuumlichtgeschwindigkeit - Polarisationsrichtung = Richtung des -Feldes stehen senkrecht aufeinander - : Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle Screen clipping taken: 04.12.2012 12:35 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Onde_electromagnetique.svg) Screen clipping taken: 31.10.2013 01:58 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electromagneticwave3Dfr omside.gif) Screen clipping taken: 11.12.2012 12:32 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/Circular.Polarization.Circularly.Polarized.Light_Circular.Polarizer_Creating.Left.Handed.Helix.View.svg) Übungsstunde (Nuhro Ego) Page 3 Screen clipping taken: 31.10.2013 02:06 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electromagneticwave3D.gif ) Elektromagnetisches Spektrum Screen clipping taken: 31.10.2013 03:04 (http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrum.svg) Verketteter Fluss, Verkettungsfluss, Induktionsfluss Der Fluss auf der rechten Seite des Faraday'schen Induktionsgesetzes wird verallgemeinert auch verketteter Fluss genannt (Grund: siehe Bild). gesamter Leiter beliebige Fläche, deren Rand der gesamte Leiter ist In einer Spule mit Windungen gilt approximativ (unter Vernachlässigung der Zulaufdrähte und der "Neigung/Windung" des Drahtes in der Spule): Induktivität (vergleiche mit Kapazität) Induktivität: stromdurchflossener Leiter, der aufgrund einer Änderung des elektrischen Stromes ein Magnetfeld aufbaut, das der Stromänderun g entgegenwirkt (Lenz'sche Regel) : (verketteter!) Fluss durch die vom Leiter aufgespannte Fläche : Stromstärke, die diesen Fluss 'selbst' erzeugt Es gilt: : Induktivität = Proportionalitätskonstante (nur von Geometrie abhängig!; es gilt eigentlich immer ) Screen clipping taken: 17.10.2013 10:24 (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/45/Solenoid -1.png/320px-Solenoid-1.png) Energie, um Strom in einer Induktionsspule aufzubauen/Gespeicherte Energie der Spule in Form des Magnetfeldes: Nutzen/Sinn: lässt sich z.B. leichter für Rechnungen mit Stromkreisen bestimmen: Beispiel: Zylinderspule Induktivität: 1. Magnetische Flussdichte ("Feld") bestimmen (mittels Ampère): 2. (Verketteter) Fluss durch die durch den Leiter aufgespannte Fläche bestimmen: 3. Gleichungen mit Strom durch die Spule ausdrücken: 4. Umformen: Übungsstunde (Nuhro Ego) Page 4 , z.B.
