Elektromagnetische Felder und Wellen

Transkript

1 Elektromagnetische Felder und Wellen von Prof. Dr. rer. nat. habil. Heinz Schilling Akademie der Wissenschaften der DDR, ZI für Physikalische Chemie Mit 112 durchgerechneten Beispielen und 299 Aufgaben mit Lösungen D VEB FACHBUCHVERLAG LEIPZIG

2 Inhaltsverzeichnis 1. Grundgesetze des elektromagnetischen Feldes Elektrische und magnetische Grundgrößen 13 Einführung Elektrische Feldstärke Ё und dielektrische Verschiebung Arbeit und Spannung im elektrischen Feld Flächenladungsdichte und elektrische Erregung an der Erdoberfläche Magnetische Feldstärke Messung der magnetischen Flußdichte S3 24 Aufgaben Potential und Gradient elektrisches und magnetisches Moment 27 Einführung Arbeit im inhomogenen elektrischen Feld Potential des elektrischen Feldes Potential des kugelsymmetrischen Feldes Elektrisches Moment eines Dipols Potential und Feld des elektrischen Dipols Magnetisches Moment eines permanenten Magneten GAUSSsches Verfahren zur Messung der magnetischen Feldstärke und des magnetischen Moments 40 Aufgaben Rotation und Divergenz elektromagnetischer Felder 44 Einführung Induktionsgesetz und STOKESscher Satz Magnetfeld eines zylindrischen Drahtes Gleichmäßig geladene Kugel Oberflächenintegral und Divergenz Kontinuitätsgleichung 55 Aufgaben 58

3 8 Inhaltsverzeichnis 1.4. Maxwellsche Gleichungen 59 Einführung LENZsche Regel Relaxationszeit Oberfläohenstromdichte Unstetigkeit der magnetischen Feldstärke bei Wechselströmen in idealen Leitern Wärmeverluste und PoYNTiNGscher Vektor Energie, Ladungsdichte und Druck im elektrischen Feld Feldenergie eines permanenten Magneten 72 Aufgaben Statische elektrische und magnetische Felder Elektrostatik 75 Einführung Plattenkondensator Kapazität des Zylinderkondensators Potentialberechnung durch Spiegelung an einer Ebene Spiegelung an einer Kugel Dielektrische Kugel im homogenen Feld Potential paralleler Drähte Kapazität einer Vertikalantenne (Linienladung) 91 Aufgaben Berechnung ebener statischer Felder durch konforme Abbildung 95 Einführung Das Feld zwischen geneigten Platten Elektrisches Feld zwischen den Schenkeln einer metallischen Ecke Abbildung einer Kreisfläche auf einen Streifen Elektrisches Feld zwischen zwei Zylinderhalbschalen Das Feld einer aus der Ebene herausspringenden Kante * Kapazität zweier Zylinderschalen 109 Aufgaben Magnetische Eigenschaften der Stoffe 116 Einführung Steighöhenmethode zur Bestimmung der Suszeptibilität Magnetisierungsenergie RICHARDSON EINSTBIN DE-HAAS-Effekt (Gyromagnetischer Effekt) 121 Aufgaben Randwertaufgaben der Magnetostatik 123 Einführung '123

4 Inhaltsverzeichnis Entmagnetisierungsfaktor einer homogenen Kugel Magnetfeld in einem Rotationsellipsoid Magnetfeld in einem Kreiszylinder Homogenes Magnetfeld in einem Hohlraum 129 Aufgaben Der stationäre Strom und sein Magnetfeld Das Magnetfeld homogener Leiter, in Stromschleifen und Spulen 132 Einführung Das Magnetfeld der Koaxialleitung (Zylinderkondensator) Ringspule (Toroid) Ringspule mit Luftspalt Magnetfeld eines Drahtringes und einer kurzen Spule Magnetfeld auf der Achse einer endlich langen Spule (Solenoid) 142 Aufgaben Kräfte auf stromdurchflossene Leiter Gleichstrommeßgeräte 144 Einführung Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht im Magnetfeld Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern Drehmoment auf eine Spule im Magnetfeld Spiegelgalvanometer Ballistisches Galvanometer 152 Aufgaben Eigenschaften stationärer Ströme KracHHOFEsche Gesetze 156 Einführung Änderung des Meßbereiches eines Amperemeters durch Nebenschluß Verwendung des Strommeßgerätes als Spannungsmesser WHEATSTONEsche Brücke Widerstand des Halbraumes bei Verwendung eines Oberflächenerders 161 Aufgaben Elektrische Ströme und gleichmäßig bewegte Ladungen in Gasen und im Hochvakuum 162 Einführung MiLLiKAN-Versuoh Messung der spezifischen Elektronenladung mit dem BBAUNschen Katodenstrahlrohr Messung der spezifischen Ionenladung nach THOMSON (Parabelmethode) 167 Aufgaben Grundgesetze der elektrischen Leitung in Flüssigkeiten und festen Körpern Einführung 169

5 10 Inhaltsverzeichnis FABADAYsche Gesetze der Elektrolyse Ionenbeweglichkeit und relative Überführungszahl Driftgeschwindigkeit der Elektronen in festen Körpern OHMsches Gesetz HALL-Effekt 180 Aufgaben Quasistationäre Stromkreise und elektromagnetische Wellen auf Leitungen Quasistationäre Stromkreise 185 Einführung Wärmewirkung im Wechselstromkreis Leistungsanpassung Freie elektrische Schwingungen Einschaltvorgang im Stromkreis mit Selbstinduktion Dämpfung eines Galvanometers 200 Aufgaben Grundlagen der Vierpoltheorie 203 Einführung Dämpfungsglied Schwingungssieb (Drosselkette) Doppelsieb WIEN MAXWBLL-Brücke zur Messung der Induktivität Eisenloser Transformator 215 Aufgaben Berechnung der Induktionskoeffizienten und des Wellenwiderstandes 220 Einführung Selbstinduktivität einer Spule Gegeninduktivität zweier gekoppelter Spulen Wellenwiderstand und Induktivitätsbelag der Koaxialleitung Wellenwiderstand einer Bandleitung Induktivität zweier Zylinderschalen Selbst- und Gegeninduktion einer Zweidrahtleitung 228 Aufgaben Elektrische Leitungen 232 Einführung Anpassungs- und Phasenkreis Größter und kleinster Wert des Wirkwiderstandes Messung des Abschlußwiderstandes einer Leitung 244

6 Inhaltsverzeichnis Anpassung durch Veränderung des Wellenwiderstandes * Eingangswiderstand der Koaxialleitung mit geschlitztem Außenleiter 248 Aufgaben Der Transistor als aktiver Vierpol 254 Einführung Kurzschlußstromverstärkung Eingangswiderstand Vierpolgleichung des Transistors Betriebseigenschaften eines Transistors bei kleinen Signalspannungen Arbeitspunkteinstellung durch Spannungsteilerwiderstände Relaisschaltung mit Transistoren * Zweistufiger Vorverstärker mit ДО-Kopplung * Gegentakt-S-Verstärker 282 Aufgaben Hochfrequente Wechselfelder Das elektromagnetische Feld elektrischer und magnetischer Dipole 288 Einführung ÜEETZscher Dipol (Elementardipol) Vertikalantenne auf leitender Erde Reflektordipol Das Fernfeld einer langen Stabantenne (Halbwellendipol) Dipolzeile Dipolgruppe Der Gewinn einer Dipolebene mit Reflektor Rahmenantenne 306 Aufgaben Ausstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen 310 Einführung Widerstand einer Antenne im Speisepunkt Verkürzung und Verlängervmg einer Vertikalantenne durch eingeschaltete Spulen und Kondensatoren Schwingkreis mit induktiver Koppelung Modulationsgrad Messung der Rauschzahl eines Verstärkers Störabstand im Empfänger (Signal-Rausch-Verhältnis) 328 Aufgaben Elektromagnetische Wellen an leitenden Medien (Wellenleiter und Resonatoren) Einführune 331

7 12 Inhaltsverzeichnis Skineffekt Zylindrischer Leiter Rechteckiger Hohlleiter ; Kreiszylindrischer Hohlleiter Rechteckiger Hohlraumresonator Gütefaktor und Verlustfaktor eines Hohlraumresonators 355 Aufgaben 358 Lösung der Aufgaben 359 Tatein Tafel 1. Dielektrizitätszahlen 375 Tafel 2. Elektrische Leitfähigkeit der Stoffe 375 Tafel 3. Magnetische Eigenschaften der Stoffe 376 Tafel 4. Physikalische Konstanten 377 Tafel 5. Eormelzeichen und Kurzzeichen 377 Literaturverzeichnis 381 Sachwortverzeichnis 383 * hinter der Nummer eines Problems oder einer Aufgabe weist auf besonderen Schwierigkeitsgrad hin.