Inhaltsübersicht
4. Elektrostatische Energie und Kapazität
5. Materie in elektrischen Feldern
9. Magnetische Felder in Materie
10. Elektromagnetische Induktion
12. Elektromagnetische Schwingungen
Elektrostatik
Kapitel 1: Elektrische Ladung
Kapitel 2: Kraft und Feld
Kapitel 3: Multipole
In den vorherigen Kapiteln haben wir die Elektrostatik an Hand einfacher Beispiele entwickelt, die meist aus Punktladungen oder einfachen, homogen geladenen Körpern bestanden. In vielen Fällen interessierte uns dabei die Wirkung räumlich begrenzter Ladungen in großer Entfernung. In solchen Fällen hat die genaue räumliche Verteilung der Ladung nur noch geringen Einfluss auf die Wirkung und es liegt nahe, die oft komplexe Ladungsverteilung durch einfache Ladungsverteilungen zu approximieren. Diese charakterisieren das Verhalten der Ladung im Fernbereich schon recht gut. Die Details der Ladungsverteilung eines Körpers sind nur dann wichtig, wenn wir den Körper aus unmittelbarer Nähe betrachten. Aus größerer Entfernung verschwindet der Einfluss der Details zunehmend. Diese Approximation ist das Thema dieses Kapitels.
Kapitel 4: Elektrostatische Energie und Kapazität
Kapitel 5: Materie in elektrischen Feldern
Wir hatten uns ausführlich mit metallischen Leitern in elektrischen Feldern auseinandergesetzt. Das äußere Feld verschiebt die Ladungen so lange, bis sich Oberflächenladungen ausgebildet haben, die zu einer vollständigen Kompensation des Feldes im Inneren der Leiter führen. Nun wollen wir uns mit dem Verhalten von Nichtleitern auseinandersetzen, die wir in elektrische Felder einbringen. Wir nehmen an, dass die Nichtleiter keine Nettoladung tragen. Naiv mag man erwarten, dass diese dann auch keinen Einfluss auf das Feld haben, da die Ladungen im Nichtleiter nicht frei beweglich sind. Doch dies stimmt nicht. Auch wenn sich die Ladungen nicht frei bewegen können, können sie sich innerhalb des Bereiches ihres Atoms oder ihres Moleküls verschieben.
Magnetostatik
Kapitel 6: Ströme
In der Elektrostatik haben wir positive und negative elektrische Ladungen kennen gelernt. Die Ladungen waren räumlich voneinander getrennt und erzeugten so elektrische Felder. Wir haben die Phänomene untersucht, die von diesen Ladungen ausgehen, wobei wir nur solche Situationen betrachtet haben, in denen die Ladungen ruhten. Nun wollen wir uns den Phänomenen zuwenden, die auftreten, wenn sich die Ladungen bewegen. Stellen wir beispielsweise zwischen positiven und negativen Ladungen eine elektrisch leitende Verbindung her, so werden sich die positiven Ladungen zu den negativen Ladungen hin bewegen oder umgekehrt (oder beides). Es fließt ein elektrischer Strom (Abb. 6.1).
Kapitel 7: Das magnetische Feld
Zu Beginn dieses Bandes haben wir ausführlich die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen diskutiert. In Abb. 7.1ist noch einmal ein einfaches Beispiel zu sehen. Zwei gleichnamig geladene Kugeln stoßen sich ab, während sich zwei entgegengesetzt geladene Kugeln anziehen. Doch dies sind nicht die einzigen Kräfte zwischen elektrischen Ladungen. Schon im 19. Jahrhundert kannte man weitere elektrische Phänomene, die wir Ihnen zunächst vorstellen wollen.
Kapitel 8: Magnetische Kräfte
Nachdem wir nun die Ströme und die Magnetfelder diskutiert haben, wollen wir uns den Kräften zuwenden, die sie verursachen. Wir beginnen noch einmal mit einem einfachen Experiment (Experiment 8.1). Es zeigt, dass sich zwei gegenläufige Ströme abstoßen. Man mag geneigt sein, dies durch die elektrostatische Abstoßung der Elektronen, die den Stromfluss bewirken, zu erklären. Doch diese Erklärung ist falsch. Zum einen kann man sich vergewissern, dass die Kabel elektrisch neutral sind, indem man eine geladene Kugel in ihre Nähe bringt. Man kann keinerlei Kraftwirkung auf diese Kugel beobachten. Zum anderen erhält man einen Widerspruch, wenn man die Stromrichtung eines der beiden Kabel umpolt. Eine eventuelle elektrostatische Abstoßung wäre davon unberührt, doch tatsächlich geht die Abstoßung der Kabel in eine Anziehung über.
Kapitel 9: Magnetische Felder in Materie
Bringt man Materie in ein magnetisches Feld, so kann man sich die Frage stellen, ob diese das Magnetfeld beeinflusst. Die Antwort lautet wie im elektrischen Falle auch: „Ja“. Das magnetische Feld wird durch die Materie verändert und umgekehrt wird das magnetische Feld die Materie beeinflussen. Diese Prozesse und die damit verbundenen Phänomene sind das Thema dieses Kapitels.
Elektrodynamik
Kapitel 10: Elektromagnetische Induktion
Wir beginnen unsere Diskussion der Induktion mit einigen Experimenten, die das grundlegende Phänomen zeigen. Wir schließen an eine Spule mit einigen hundert Windungen ein Spannungsmessgerät an. Dann bewegen wir einen Stabmagneten durch die Spule. Das Voltmeter (Messbereich 10mV) zeigt einen deutlichen Ausschlag. Man kann mit dem Magneten spielen, um herauszufinden, wovon der Ausschlag abhängt. Hält man den Stabmagneten ruhig in die Spule, beobachtet man keinen Ausschlag. Erst die Bewegung des Magneten führt einen Ausschlag herbei. Man erkennt deutlich, dass das Messgerät umso kräftiger ausschlägt, je schneller man den Magneten bewegt.
Kapitel 11: Wechselstromkreise
Polt man die Spannung an einem Stromkreis periodisch um, so spricht man von Wechselspannung. Entsprechend ändert sich auch die Richtung des Stromes, der durch die Schaltung fließt, so dass eine Wechselspannung auch immer von einem Wechselstrom begleitet ist. Mit dem Verhalten von Schaltkreisen, an denen Wechselspannung angelegt wird, wollen wir uns in diesem Kapitel beschäftigen.
Abb. 11.1 zeigt als einfaches Beispiel einen Schaltkreis, der nur aus der Spannungsquelle und einem Widerstand besteht. Mit dem Umpolen der Spannung ändert sich die Fließrichtung des Stromes. Technisch erfolgt das Umpolen meist nicht in einem Schaltvorgang, sondern kontinuierlich in Form einer sinusförmigen Wechselspannung. Dann ändert auch der Strom seinen Verlauf sinusförmig. In Abb. 11.2 ist beispielhaft der Verlauf einer sinusförmigen Wechselspannung und eines entsprechenden Stromes gezeigt.
Kapitel 12: Elektromagnetische Schwingungen
Kapitel 13: Elektromagnetische Wellen
Im Jahre 1886 hatte Heinrich Hertz eine Art von elektromagnetischen Wellen entdeckt, die wir heute als Mikrowellen bezeichnen. Kurz darauf beschäftigte sich der österreichische Physiker Ernst Lecher mit der Ausbreitung der Hertz’schen Wellen. Es gelang ihm, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen zu messen. Er fand einen Wert, der mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes übereinstimmte, woraus er korrekterweise schloss, dass es sich auch bei Licht um elektromagnetische Wellen handeln muss.
Kapitel 14: Wellenabstrahlung
Der Hertz’sche Dipol ist das Grundelement vieler Antennen. Mit einer ausführlichen Diskussion dieser einfachen Anordnung wollen wir dieses Kapitel über die Erzeugung elektromagnetischer Wellen beginnen. Heinrich Hertz (Abb. 14.1) entwickelte solche Antennen, mit denen ihm dann der Nachweis elektromagnetischer Wellen gelang. Heute tragen die Antennen seinen Namen.
Um die Funktion des Hertz’schen Dipols verständlich zu machen, greifen wir auf einen einfachen, verlustfreien Schwingkreis zurück und entwickeln den Hertz’schen Dipol Schritt für Schritt aus diesem Schwingkreis (siehe Abb. 14.2).
Kapitel 15: Wellen im Medium
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir die Abstrahlung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Vakuum untersucht. In diesem Kapitel gehen wir der Frage nach, was sich verändert, wenn sich eine elektromagnetische Welle durch ein Medium, wie z. B. eine Glasscheibe, ausbreitet.
Beginnen wir mit einer dünnen Schicht eines Mediums (siehe Abb. 15.1). Eine ebene Welle kommt aus dem Vakuum, trifft auf das Medium, durchquert dieses und breitet sich dahinter erneut im Vakuum aus. Hinter dem Medium gelten wieder dieselben Gesetzmäßigkeiten wie davor, so dass die Welle dort abermals die gleichen Eigenschaften haben wird, wie vor dem Medium. Aber was ändert sich im Medium? Etwa die Ausbreitungsgeschwindigkeit? Oder die Wellenlänge? Oder die Frequenz? Oder vielleicht auch alle drei?