Elektrodynamik (eBook)

Theoretische Physik II

Michael Schulz, Beatrix M. Schulz, Reinhold Walser, Christoph Warns, Peter Reineker (Autoren)

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2022 | 2. Auflage
XXII, 480 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-82866-1 (ISBN)

Infos

Die Neuauflage gibt eine Einführung in die konzeptionell und mathematisch anspruchsvolle Elektrodynamik. Ausgehend von experimentellen Erkenntnissen über elektrische und magnetische Felder werden die Studierenden an die Maxwell-Gleichungen im Vakuum und in Materie herangeführt.

Peter Reineker ist Professor für Physik an der Universität Ulm.

Michael Schulz ist außerplanmäßiger Professor an der Universität Ulm und Geschäftsführer der Indalyz Monitoring & Prognostics GmbH.

Beatrix M. Schulz ist Wissenschaftlerin bei der Indalyz Monitoring & Prognostics GmbH.

Reinhold Walser ist Professor für Physik an der Technischen Universität Darmstadt.

Autor

Peter Reineker ist Professor für Physik an der Universität Ulm. Michael Schulz ist außerplanmäßiger Professor an der Universität Ulm und Geschäftsführer der Indalyz Monitoring & Prognostics GmbH. Beatrix M. Schulz ist Wissenschaftlerin bei der Indalyz Monitoring & Prognostics GmbH. Reinhold Walser ist Professor für Physik an der Technischen Universität Darmstadt.

Inhalt

1 EINLEITUNG
1.1 Der Feldbegriff in der Mechanik und der Elektrodynamik
1.2 Aufbau des Buches
1.3 Gültigkeitsgrenzen der Elektrodynamik

2 HEURISTISCHE BEGRÜNDUNG DER MAXWELL-GLEICHUNGEN
2.1 Das elektrische Feld (Elektrostatik)
2.2 Das magnetische Feld (Magnetostatik)
2.3 Maxwell-Gleichungen

3 RAUM UND ZEIT
3.1 Fundamentale Wechselwirkungen
3.2 Das Relativitätsprinzip
3.3 Abstände um Raum-Zeit-Kontinuum
3.4 Die Eigenzeit
3.5 Die Lorentz-Transformation
3.6 Tensorkalkül im pseudoeuklidischen Raum

4 LADUNGEN IN ELEKTROMAGNETISCHEN FELDERN
4.1 Das Konzept der Feldtheorie
4.2 Das freie Teilchen
4.3 Das Viererpotential
4.4 Kovariante Bewegungsgleichungen
4.5 Der Anschluss an die Elektrodynamik
4.6 Eichinvarianz
4.7 Lorentz-Transformationen der Felder
4.8 Elektromagnetische Feldinvarianten

5 DIE MAXWELL-GLEICHUNGEN
5.1 Die erste Gruppe der Maxwell-Gleichungen
5.2 Die Feldwirkung
5.3 Der Vierervektor des Stroms
5.4 Die zweite Gruppe der Maxwell-Gleichungen
5.5 Die vollständigen Bewegungsgleichungen
5.6 Die Kontinuitätsgleichung
5.7 Energiedichte und Energiestrom
5.8 Resümee

6 ELEKTROSTATIK IM VAKUUM
6.1 Die Feldgleichungen der Elektrostatik
6.2 Lösung der Feldgleichungen für Punktladungen und Ladungsverteilungen
6.3 Felder verschiedener Ladungsverteilungen
6.4 Multipolentwicklung und Fernfeld einer lokalisierten Ladungsverteilung
6.5 Elektrische Energie von Ladungssystemen
6.6 Kräfte im elektrischen Feld

7 ELEKTROSTATIK IN MATERIE
7.1 Das elektrostatische Feld von Leitern
7.2 Das Potential von Leitern
7.3 Bestimmung der Green'schen Funktionen
7.4 Raumladungsfreie Probleme
7.5 Dielektrika

8 MAGNETOSTATIK
8.1 Das Biot-Savart'sche Gesetz
8.2 Magnetisches Moment
8.3 Magnetische Multipole
8.4 Magnetische Monopole
8.5 Lineare Stromschleifen
8.6 Magnetische Feldenergie
8.7 Kräfte im Magnetfeld
8.8 Magnetostatik in Materie
8.9 Magnetische Materialien
8.10 Verhalten an Grenzflächen
8.11 Klassische Theorie des Supraleiters

9 ZEITABHÄNGIGE ELEKTROMAGNETISCHE FELDER
9.1 Maxwell-Gleichungen in Materie
9.2 Materialgleichungen
9.3 Bilanzgleichungen
9.4 Rand- und Stetigkeitsbedingungen
9.5 Freie elektromagnetische Wellen
9.6 Quasistationäre Felder
9.7 Telegrafengleichung

10 AUSSTRAHLUNG ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN
10.1 Inhomogene Wellengleichungen
10.2 Lösung der inhomogenen Wellengleichung
10.3 Klassische Dipolstrahlung
10.4 Antennen
10.5 Ausstrahlung eines zeitlich variablen mathematischen Dipols
10.6 Dipolstrahlung freier Ladungen
10.7 Nichtrelativistische Elektronen im Magnetfeld
10.8 Die klassische atomare Katastrophe
10.9 Streuung an Elektronen
10.10 Ausstrahlung einer bewegten Punktladung
10.11 Bremsstrahlung
10.12 Cerenkov-Strahlung

11 OPTIK
11.1 Kirchhoff'sche Wellenformel
11.2 Fraunhofer'sche Beugung
11.3 Geometrische Optik

Textauszug

Abbildungsverzeichnis

1. 2.1 Schematische Darstellung einer Drehwaage zur Bestimmung des Coulomb-Gesetzes.
2. 2.2 Schematische Darstellung eines idealisierten Stromfadens
3. 2.3 Stationärer Strom in einem Draht
4. 2.4 Erstes Kirchhoff’sches Gesetz
5. 2.5 Zwei geschlossene Leiterkreise: schematische Darstellung zur Erläuterung des Ampère’schen Gesetzes.
6. 2.6 Magnetischer Fluss durch eine vorgegebene Fläche mit der Randkurve ∂F
7. 2.7 Plattenkondensatoranordnung: Um die rechte Kondensatorplatte wird eine virtuelle Kugel gelegt. Die geschlossene Kurve ∂F teilt die Kugeloberfiäche in die beiden Teilfiächen F1 und F2.

1. 5.1 Inertialsystem Σ eines ruhenden Beobachters am Punkt P, in dem sich eine Punktladung q mit der Geschwindigkeit q bewegt. Das Ruhesystem der Punktlandung heißt Σ′.
2. 5.2 Schematische Darstellung des mathematischen Dipols
3. 5.3 Ladungsverteilung ρ und Ortsvektoren im Bezug auf den Punkt P im Laborsystem O und im Ladungsschwerpunktssystem O′.
4. 5.4 Gauß’sche Dosenanordnung zur Herleitung der Sprungbedingung für die Normalkomponente des elektrischen Felds En beim Durchgang durch eine geladene Fläche F.
5. 5.5 Stokes’scher Integrationsweg um eine Fläche F (grau), die den Punkt r enthält, der auch auf der geladenen Fläche F liegt. Die Oberfiächennormale n und Tangente t der Oberfiäche F spannen die Fläche F auf.
6. 5.6 Kugelfiächenfunktionen Ylm(ϑ, ϕ) für 0 ≤ l ≤ 3 und |m| ≤ l. Da die Funktionen komplex sind, werden hier die Beträge als Flächen im dreidimensionalen Raum u(ϑ, ϕ) = |Ylm(ϑ, ϕ)|er(ϑ, ϕ) von 0 ≤ ϑ < π und 0 ≤ ϕ < 2π dargestellt. Die Färbungen der Flächen entsprechen dem Winkel Arg(Ylm(ϑ, ϕ)) der komplexen Funktion.
7. 5.7 Schematische Darstellung wechselwirkender Dipole
8. 5.8 Elliptische Äquipotentialfiächen um einen geladenen Stab der Länge L = 2c mit der großen und kleinen Halbachse a und b. Die Brennpunkte sind bei F± = (0, 0, ±c) in Zylinderkoordinaten. Aus der ,,Gärtner“-Konstruktion l+ + l− = 2a folgt, dass a2 = b2 + c2.
9. 6.1 Anordnung dreier Leiteroberfiächen FI, die die Volumina VI umschließen und auf den Potentialen ϕI liegen. Das Volumen V (grau gestrichelt) hat die äußere Oberfiäche F0 und die innere Oberfiäche F1 ∪ F2 ∪ F3. Die Flächennormalen df0, dfI zeigen immer aus dem Raumgebiet V heraus
10. 6.2 Punktladung q′ am Ort r′ = dez vor einer leitenden Wand mit der virtuellen Spiegelladung q′′ bei r′′ = − dez.
11. 6.3 (a) Punktladung Q vor leitender Wand mit Flächennormale n = ez und Feldlinien; (b) Flächenladungsdichte −σ(ϱ) als Funktion von
12. 6.4 Punktladung q′ im Abstand l′ > R vor einer leitenden Kugel mit Radius R. Der Einheitsvektor e0 zeigt entlang der Verbindungslinie zur virtuellen Bildladung q′′ im Abstand l′′ < R innerhalb der Kugel
13. 6.5 Quaderförmiger Hohlraum im Inneren eines perfekt leitenden sehr großen Metallblocks.
14. 6.6 Zwei leitende dünne, koplanare Folien im Abstand d bilden einen Plattenkondensator. Die linke Folie ist mit positiver Flächenladungsdichte σ1 > 0 und die rechte mit σ2 < 0 aufgeladen. Die entsprechenden Potentiale werden mit ϕ1 und ϕ2 bezeichnet.
15. 6.7 Potentialverlauf außerhalb und innerhalb des Plattenkondensators. Falls der Kondensator elektrisch neutral mit σ1 + σ2 = 0 ist, wird das Potential im Außenraum konstant (durchgezogene Linie), wenn σ1 + σ2 > 0, fällt das Potential (gestrichelte Linie), und für σ1 + σ2 < 0 steigt das Potential an (gepunktete Linie).
16. 6.8 Metallprofil (grau), das sich homogen in die z-Richtung erstreckt. Die kantenförmige Aussparung hat den Innenwinkel

• Erscheint lt. Verlag: 5.9.2022
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Elektrodynamik
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Theoretische Physik
• Schlagworte: Elektrizitätslehre • Elektrodynamik • Elektromagnetismus • Elektrotechnik u. Elektronik • Physik • Theoretische Physik
• ISBN-10: 3-527-82866-4 / 3527828664
• ISBN-13: 978-3-527-82866-1 / 9783527828661