Elektromagnetische Felder
Elektrostatisches Feld:
auf Probeladung q wirkt Kraft F → elektrisches Feld E mit
elektrische Feldstärke E, Einheit Volt/Meter
letzteres wegen
U I = P => V A = N m/s
Ursache des Feldes: andere Ladung
elektrisches Feld einer einzelnen (Punkt-)Ladung Q (
Coulomb
)
zeigt von der Ladung weg (Q > 0) oder zur Ladung hin (Q < 0)
nimmt mit Quadrat des Abstands r ab
Dielektrizitätskonstante ε
0
zur Umrechnung der Einheiten
viele Punktladungen → Feldstärken addieren sich vektoriell
Magnetostatisches Feld:
auf bewegte Ladung q mit Geschwindigkeit v wirkt Kraft F (
Lorentzkraft
) → magnetisches Feld B mit
magnetische Induktion B, Einheit Tesla
Kraft auf stromdurchflossenen Draht
gesamte bewegte Ladung q bei Stromstärke I im Draht der Länge L
gesamte Kraft F auf diese Ladungen daher
Ursache des magnetischen Feldes: andere bewegte Ladung (
Strom I)
keine magnetischen Ladungen (Monopole) entdeckt (bisher?)
Magnetfeld eines kleinen stromdurchflossenen Leiters (
Biot-Savart
)
ringförmig um den Leiter
nimmt mit Quadrat des Abstands r ab
magnetische Feldkonstante μ
0
langer Draht oder viele Leiter → Feldstärken addieren sich vektoriell
Induktion:
Experiment
Magnet wird bewegt durch quadratische Leiterschleife
→ Magnetfeld B innerhalb der Schleife ändert sich
Beobachtung: Voltmeter zeigt Spannung U
ind
an (
induzierte Spannung
) mit
magnetischer Fluss
Φ
m
gesamtes Magnetfeld durch eine Fläche A
in Formeln
bei räumlich nahezu konstantem B einfach
induzierte Spannung damit
Ursache der Spannung = elektrisches Feld längs der Leiterschleife
Größe der Spannung: Feldstärke "längs der Schleife"
Zeitveränderliche elektrische und magnetische Felder:
Induktion → zeitliche Änderung eines Magnetfelds erzeugt ein elektrisches Feld
umgekehrt gilt: zeitliche Änderung eines elektrischen Felds erzeugt ein Magnetfeld
Beispiel: Aufladung eines Kondensators
E und B sind eng verknüpft (
elektromagnetisches Feld
)
Zusammenhang mit Ladungen und Strömen
bewegte Ladungen erzeugen elektromagnetische Felder
elektromagnetische Felder erzeugen Kräfte (→ Bewegung) auf Ladungen
komplizierte Rückkopplung
i.a. sehr schwer zu lösen
Elektromagnetische Wellen:
geeignet bewegte Ladungen (z.B. Hertzscher Dipol) strahlen e.m. Felder als Wellen ab
Ausbreitungsgeschwindigkeit c
und
stehen senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung (Transversalwellen) und aufeinander
Zusammenhang zwischen E und B in der Welle
Intensität I der Welle = mittlere Energiestromdichte bei Amplituden E
0
und B
0
Aufgaben:
Aufgabe 8
Aufgabe 9