Um was geht es in dieser Vorlesung wirklich?

Transkript

1 Inhalt de Volesung 1. Elektostatik 2. Elektische Stom 3. Leitungsmechanismen 4. Magnetismus 5. Elektomagnetismus 6. Induktion 7. Maxwellsche Gleichungen 8. Wechselstom 9. Elektomagnetische Wellen 1

2 Um was geht es in diese Volesung wiklich? Gavitation Es wid die Kaft auf eine Masse m in de Nähe de Masse M gemessen. De Betag de Kaft ist F F G = G m M m M 2 Die Richtung de Kaft zeigt auf Masse M, d.h. in Richtung von. - m M G = G 2 = G 2 e M F G 2

3 Elektische Käfte Mateie hat noch eine Eigenschaft: Ladung Es gibt zwei Aten von Ladungen: + und - Zwischen Ladungen bestehen Käfte Gleichnamig geladene Köpe stoßen sich ab - + Ungleichnamig geladene Köpe ziehen sich an. Kaft zwischen Ladungen: Coulombkaft vehält sich wie Gavitation Ladungsausgleich Neutalität Gesamtladung = Summe de Einzelladungen Kaftwikung außen: in beiden Fällen gleich = 0 3

4 Ladungsveteilungen Wassemolekül ist neutal, abe positive und negative Ladungen äumlich getennt Coulombkaft aufgund unteschiedlichen Abstands Was sind die Käfte die die Welt im Inneen zusammenhalten? Elekton Poton im Wassestoffatom Vegleich Kaft duch Ladung bzw Masse F Ladung = N = F Gaviation Anziehende Wikung duch Ladungen Waum fällt dann abe Elekton nicht in den Ken? Antwot liefet Quantenmechanik (Unschäfeelation) Details ab 3. Semeste 4

5 Was sind die Käfte die die Welt im Inneen zusammenhalten? Ken besteht aus positiven Ladungen F Ladung = - 26 N abstoßend F Gavitation = N anziehend Abstoßende Wikung übewiegt, waum fliegt Ken dann nicht auseinande? Was ist Kenenegie (Atombombe)? In einem Elekton gibt es keine Kenkäfte. Was hält dann ein Elekton zusammen? Aufbau von Mateie Elektische Käfte und quantenmechanische Wikungen bestimmen Aufbau de Mateie Wenn ich die Käfte kenne, dann kann ich die Eigenschaften de Mateie vohesagen Wie kann ich die elektischen Käfte (Coulombkaft) beechnen? Gibt es noch andee Käfte? 5

6 Käfte auf Ladungen: Loentzkaft F = q E + v B ( ) E: Elektische Feldstäke an de Stelle de Ladung B: Magnetische Feldstäke an de Stelle de Ladung E und B weden duch alle im Univesum vohandenen Ladungen bestimmt, ihe Wete hängen von Ot und Zeit ab Aufgabe de Elektodynamik: Bestimmung von E und B und Bescheibung de Eigenschaften Fagen: Was ist ein Feld, Vektofeld? Wie kann ich die Feldstäke beechnen? Waum wid das Feld beechnet und nicht diekt die Käfte? Was ist ein Vektofeld? Wind: Stäke und Richtung zeitlich und ötlich veändelich: zeitanhängiges Vektofeld E- Feld Stäke und Richtung de lokale Kaftwikung auf Pobeladung zeitlich und ötlich veändelich: zeitabhängiges Vektofeld E = E, ( x, y, z t ) 6

7 Wie geht es weite Loentzkaft bestimmt duch E und B E und B sind Vektofelde Vektofelde können veanschaulicht weden Vektofelde haben chaakteistische Mekmale: Fluss und Zikulation Wie kann ich abe B und E beechnen? Welche Gleichungen veknüpfen die beiden Gößen? Gibt es ähnlich wie in de Mechanik Gundgleichungen auf die die Elektodynamik aufbaut? Gundlagen de Mechanik: Newtonsche Axiome I. Tägheitspinzip Jede Köpe vehat im Zustand de Ruhe ode de geadlinig gleichfömigen Bewegung, wenn e nicht duch äußee Käfte gezwungen wid, diesen Zustand zu änden. II. Aktionspinzip Ein fei bewegliche Köpe de Masse m efäht duch eine Kaft F eine Beschleunigung a, die de wikenden Kaft popotional ist. F = m a Isaac Newton ( ) III. Reaktionspinzip Wiken zwischen zwei Köpen Käfte, so ist die Kaft F 12, die de Köpe 1 auf den Köpe 2 ausübt, dem Betag nach gleich, de Kaft F 21, die vom Köpe 2 auf den Köpe 1 wikt, abe entgegengesetzt goß 7

8 Michael Faaday ( ) Bedeutendste Expeimentalphysike Efinde des Motos, Geneatos, Tansfomatos, Elektolyse Induktionsgesetz, Faadayeffekt, Feldbegiff, Benzol.. Zwei Einheiten nach ihm benannt: Faad Kapazität Faady-konstante Ladungen Fage des gelangweilten Finanzministes bei Vofühung de "Elektisiemaschnine" : "Und wofü soll das gut sein?" Faadays Antwot: "Si, eines Tages weden Sie daauf Steuen einheben!" James C. Maxwell A Teatise on Electicity and Magnetism Geboen: in Edinbugh : Studium in Edinbugh & Cambidge 1856: Enennung zum Pofesso in Abedeen : Lehamt am King s College (London) : Diekto am Cavendish-Laboatoium Gestoben: in Cambidge 8

9 Gesetze des Elektomagnetismus Fluss von E duch geschlossene Fläche S= Gesamtladung innen / ε 0 Zikulation von E entlang eine geschlossenen Kuve C = d/dt (Fluss von B duch Fläche S, die von C umschlossen ist) Fluss von B duch geschlossene Fläche S = 0 Zikulation von B entlang eine geschlossenen Kuve C) = d/dt (Fluss von E duch Fläche S, die von C umschlossen ist) + Fluss des elektischen Stoms duch S A A Maxwell Gleichungen v 1 EdA = ε 0 Ed = t v BdA = 0 Bd = µ 0 V ρ dv BdA jda + µ 0ε 0 t EdA 9

10 Maxwell Gleichungen ρ (1) E = ε 0 B (2) E = t (3) B = 0 E (4) B = µ j + 0 ε 0 t Diffeenzielle Fom oft einfache Induktion Zikulation von E entlang eine geschlossenen Kuve C = d/dt(fluss von B duch Fläche S, die von C umschlossen ist) v U Stabmagnet bewegt sich in Leiteschleife: Ausschlag am Spannungsmessgeät 10

11 Elektomagnetismus Oestedt Vesuch Zikulation von B entlang eine geschlossenen Kuve C = d/dt(fluss von E duch Fläche S, die von C umschlossen ist) + Fluss des elektischen Stoms duch S Hans Chistian Oestedt ( ) Vesuch: (1820) Ein stomduchflossene Leite vehält sich wie ein Magnet TESLA Tansfomato Ezeugung von Hochspannung Pinzip: Elektomagnetische Schwingungen (ezwungene Schwingung mit Resonanzübehöhung) Fage: Waum leuchtet die Leuchtstofföhe, obwohl sie nicht angeschlossen ist? Zikulation von E entlang eine geschlossenen Kuve C = d/dt(fluss von B duch Fläche S, die von C umschlossen ist) Zikulation von B entlang eine geschlossenen Kuve C) = d/dt(fluss von E duch Fläche S, die von C umschlossen ist) 11

12 Elektomagnetische Wellen Maxwellgleichungen: Wellengleichung Elektomagnetische Wellen beiten sich im leeen Raum aus Tanspot von Enegie und Impuls Stahlungsduck: Impuls von EM Wellen Sonnensegel zum Antieb im Weltaum Kometenschweif imme von Sonne weg Lichtduck de Sonne 12

13 Inhalt de Volesung Elektische und magnetische Käfte auf Ladungen Beechnung und Eigenschaften von elektischen und magnetischen Felden Elektomagnetische Schwingungen Elektomagnetische Wellen 13