Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt.
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Elektromagnetische
Wellen
Seminararbeit zu
„Planung und Auswertung von Physikunterricht“
Verfasser: Florian Riemer
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
3. Der Hertzsche Dipol
4. Elektromagnetische Wellen im Physikunterricht
5. Abschluss
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Wilhelm Weber
24.10.1804 –
23.06.1891
Weber
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Gustav Robert Kirchhoff
12.03.1824 –
17.10.1887
Kirchhoff
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Michael Faraday
22.09.1791 –
25.08.1867
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
William Thomson
26.06.1824 –
17.12.1907
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
James Clerk Maxwell
13.06.1831 –
05.11.1879
Maxwell
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Hermann von Helmholtz
31.08.1821 –
08.09.1894
Helmholtz
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Heinrich Hertz
22.11.1856 –
01.01.1894
1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen
Marconi
25.04.1874 –
20.06.1937
Popov
04.03.1859 –
31.12.1905
Marconi Popov
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
1. Maxwellsche Gleichung
- Zusammenhang zwischen elektrischen Ladungen und elektrischen Feldern
20
( )4
rQeE r
r
( * ) ' *cos( ) 'E
A A
E n dA E dA
(Elektrische Feld einer Punktladung)
(Elektrische Kraftfluss)
1. Max Herleitung 1
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
1. Maxwellsche Gleichung
22
00 0
0 0
( * ) ' sin4 ²
4
E
Kugelschale
Raumwinkel
QE n dA r d d
r
Q Qd
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
1. Maxwellsche Gleichung
( * ')o
A
Q E dA
0( ) ( )dQ
div E div DdV
Integrale Form:
Differentielle Form:
1. Max
2. Maxwellsche Gleichung
- Zusammenhang zwischen Magnetfeldern und magnetischem Fluss
0 ( * ') 0A
H dA
Integrale Form:
Differentielle Form:
0( ) ( ) 0div B div H
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
2. Max
3. Maxwellsche Gleichung
- Ströme umgeben sich mit geschlossenen magnetischen Feldlinien
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
'A
Hds jdA
(Ampèresches Durchflutungsgesetz)
3. Max Herleitung
Verschiebungsstrom
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
3. Maxwellsche Gleichung
Integrale Form:
Differentielle Form:
* ' ( )j D dA Hds
( )rot H j D
3. Max
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
4. Maxwellsche Gleichung
- Magnetische Felder umgeben sich mit elektrischen Ringfeldern
iU (Induktionsgesetz)
* *iv B ds E ds
4. Max Herleitung
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
4. Maxwellsche Gleichung
Integrale Form:
Differentielle Form:
* 'i
A
U Eds B dA
( )rot E B
4. Max
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
Wellengleichung
Herleitung der elektromagnetischen Wellengleichung
Für ebene Wellen mit Ausbreitung in z-Richtung
j D E Aus der 3. Maxwellschen Gleichung folgt:
0
0
, ,
1, ,
1, ,0
x y z
y yx xz z
y x
E E E
H HH HH H
y z z x x y
H H
z z
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
Aus der 4. Maxwellschen Gleichung folgt:
Wellengleichung2
0
1, , , ,0y x
x y z
E EH H H
z z
0 0
2
20 0
1 1
1
x xy
y
H HE
t z z t
E
z
E ableiten und -H einsetzen ergibt:
2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung
2
20 0
1 yy
EE
z
0 0
1c
(Wellengleichung)
(Phasengeschwindigkeit)
Wellengleichung3
3. Der Hertzsche Dipol
Schwingkreis
Schwingkreis
(Dorn-Bader)
Schwingunsgdauer
Bestimmung der Schwingungsdauer eines Schwinkreises
Ansatz: ind CU U
Weiter gilt:
( )( )
Q tLI t
C ( ) ( )I t Q t
Es ergibt sich:
1( ) ( )LQ t Q t
C
3. Der Hertzsche Dipol
Schwingunsgdauer2
Lösung:
0ˆ( ) sin
tQ t Q
LC
Schwingungsdauer:
2T LC
3. Der Hertzsche Dipol
offene Schwingkreis 1. E
3. Der Hertzsche Dipol
3. Der Hertzsche Dipol
1.E 1.B
3. Der Hertzsche Dipol
3. Der Hertzsche Dipol
2. E 2.B
3. Der Hertzsche Dipol
Animiert
Metzler
Interferenz
3. Der Hertzsche Dipol
Abfall der Amplitude mit3
1
r
Nahfeld Fernfeld
Beispiel: E-Feld
30
( , )
2cos sin4 r
E r
Qe e
r
Abfall der Amplitude nur durch Oberflächenzunahme mit 1
r
E- und B-Feld induzieren sich gegenseitig.
Der Hertzsche Dipol hat keine Wirkung mehr.
Nahfeld/Fernfeld
Fernfeld (El)
Elektrisches Fernfeld
3. Der Hertzsche Dipol
3. Der Hertzsche Dipol
Fernfeld (mag)
Magnetisches Fernfeld
Summe
Die jeweiligen Felder addieren sich.
Dorn-Bader
Versuch 2
Metzler
Versuch 3
Metzler
Metzler
http://elektronik-bastelbude.de/bastelecke/bastel23.htm
Radio
Film
Ende
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