Die Maxwellschen Gleichungen
Inhaltsverzeichnis
James Clerk Maxwell
Der 1831 in Edinburgh geborene James Maxwell war, bis zu seinem Tod 1879, einer der bedeutensten Physiker des 20.ten Jahrhunderts. Zu seinen wichtigsten Entdeckungen zählen die Geschwindigkeitsverteilung von Gasmolekülen (Maxwellverteilung), die Vereinigung elektrischer und magnetischer Phenomene zum Elektromagnetismus (Maxwellsche Gleichungen), sowie Theorien über die (elektromagnetische)-Wellenartigkeit des Lichts.
Elektro- und Magnetostatik
Die 3. Maxwellsche Gleichung (Erzeugung von elektrischen Feldern durch Ladung und Polarisation)
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Siehe: Felderzeugende Ladung und Feldstärke Weitere Abstraktion:
- [math]{Q \over A}=\epsilon_0 E[/math]
- [math]Q = \epsilon_0 E \, A = \epsilon_0 \int E \, dA[/math] (bei genauerer Betrachtung)
- [math]Q = \epsilon_0 \int E \,dA[/math]
Die Summe der elektrischen Feldstärke von allen Punkten einer geschlossenen Fläche entspricht der elektrischen Ladung innerhalb dieser Fläche.
Material im elektrischen Feld:
Auch die Enden der Polarisation sind Quellen und Senken des elektrischen Feldes. "Es gehen genausoviele Polarisierungslinien hinein wie elektrische Feldlinien heraus."
- [math]\epsilon_0 \int E \, dA = -\int P \, dA[/math]
Zusammen mit den elektrischen Ladungen gibt es also zwei Möglichkeiten Quellen und Senken des elektrischen Feldes zu erzeugen:
- [math]\epsilon_0 \int E \, dA = Q -\int P \, dA[/math]
- [math] \int \epsilon_0 E + P \, dA = Q [/math]
Es ist üblich die Polarisierung und die elektrische Feldstärke zu einer Größe, der "elektrischen Flusdichte D" zusammenzufassen. Die elektrische Flussdichte entspricht in einfachen Fällen, wie einem Kondensator, der Flächenladungsdichte.
- [math]\vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P}[/math]
- [math] \int D \, dA = Q [/math]
Die 4. Maxwellsche Gleichung (Erzeugung von magnetischen Feldern durch Magnetisierung)
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Versucht man eine Analogie zur 3. Maxwellschen Gleichung im magnetischen Feld zu finden, empfiehlt es sich anstatt der magn. Feldstärke H, die der elektr. Feldstärke entspräche, den magnetischen Durchfluss B zu nehmen, da ansonsten das Ergebnis davon abhinge, ob die betrachtete Fläche innerhalb oder außerhalb des Magneten endet.
Da aber der magnetische Durchfluss stets geschlossene Kreise bildet, fließt aus jeder beliebig gewählten Fläche stetzt genau gleich viel magn. Fluss, wie hineinfließt. Daraus ergibt sich:
- [math]\int B \cdot dA = 0[/math]
Die Summe des magnetischen Durchfluss von allen Punkten einer geschlossenen Fläche ist also null.
Elektromagnetismus
Die 1. Maxwellsche Gleichung (Erzeugung von magnetischen Wirbelfeldern)
Etwas analoges zu einem elektrischen Wirbelfeld findet man im magnetischen Feld bei den magnetischen Wirbelfeldern. Wie bereits bekannt entstehen diese um elektrische Ströme. (siehe Die magnetische Feldstärke.)
Allgemeiner gefasst:
- [math]Hl = I[/math] entspricht [math]\int H \cdot ds = I[/math]
Der Verschiebungsstrom
Gedankenversuch: Laden eines Kondensators
- Aufbau
- Ablauf
Nach dem Ampereschen Gesetz müsste sich überall entlang des Kabels ein magnetisches Wirbelfeld bilden, solange der Kondensator aufgeladen wir und dazu ein Strom fließt. Die Vorstellung, das dieses magnetische Wirbelfeld allerdings genau beim Kondensator aufhört und direkt danach wieder beginnt, wirkt allderings befremdlich.
Aus diesem Grund erweiterte Maxwell das Amperesche Gesetz um den so genannten Verschiebungsstrom:
Wir betrachten zunächst die Ladung des Kondensators, indem wir uns eine Fläche um eine der Platten vorstellen:
Nach 1. Maxwellschen Gleichung erhalten wir:
- [math]Q = \epsilon_0 \int E \cdot dA[/math]
Die leiten wir nach der Zeit ab:
- [math]{dQ \over dt} = \epsilon_0 {d \over dt}\int E \cdot dA[/math]
Da die zeitliche Ableitung der Ladung auch als Strom gesehen werden kann:
- [math]I_v = \epsilon_0 {d \over dt}\int E \cdot dA[/math]
Diesen Verschiebungsstrom setzen wir nun wieder in das Amperesche Gesetz ein:
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- [math]\int H \cdot ds = I + \epsilon_0 {d \over dt}\int E \cdot dA[/math]
Um ein elektrischen Strom oder um ein sich änderndes elektrisches Feld entsteht also auch ein magnetisches Wirbelfeld.
Die 2. Maxwellsche Gleichung (Erzeugung von elektrischen Wirbelfeldern / Induktion)
Versuch: Elektrisches Wirbelfeld (Elektrodenlose Ringentladung)
- Aufbau
Eine mit Neon gefüllte Glaskugel ist von einer Ringspule umgeben. Man legt eine hochfrequente (ca.10000Hz) Welchselspannung mit etwa 400 V an die Spule und erzeugt so ein sich schnell änderndes torusförmiges magnetisches Wechselfeld.
Bild 1
Rückseite der Geräte
Der alternative Aufbau mit einer Funkenstrecke
- Beobachtung
Bild 1
Mit der Funkenstrecke leuchtet das Gas so intensiv, dass man es schlecht beobachten kann.
Video des Versuchs.
Überlegung für Potentialfelder
Ein geschlossener rosa Kreis entsteht innerhalb der Glaskugel. Dies lässt auf ein elektrisches Feld schließen. Da dies jedoch rund ist, kann es sich nicht um ein Potenzialfeld handeln, sonder nur um ein elektrisches Wirbelfeld.
- [math]U_{1,2} = \phi_1 - \phi_2 = \int_{P_1}^{P_2} E \cdot ds[/math]
Bei gleichem Anfangs- und Endpunkt:
- [math]\int_{P_1}^{P_1} E \cdot ds = 0\quad \text{also}\quad \oint_{} E \cdot ds = 0[/math]
Im Wirbelfeld
Für ein Wirbelfeld wird dieses geschlossene Integral also nicht null ergeben, sondern eine andere induzierte Spannung: LaTex: \oint_{} E_{ind} \cdot ds = U_{ind}
Mit [math]U_{ind} = -{d \Phi \over dt}[/math]:
- [math]\oint_{} E_{ind} \cdot ds = -{d \Phi \over dt}[/math]
Da [math]\Phi = A \cdot B \quad \text{genauer}\quad \Phi = \int B \cdot dA[/math]:
- [math]\oint_{} E_{ind} \cdot ds = -{d \over dt}\int B \cdot dA[/math]
Um ein sich änderndes Magnetfeld entsteht also ein elektrisches Wirbelfeld.
Links
- Video und Versuchsaufbau elektrodenlose Ringentladung (Landesbildungsserver BaWü)
- Elektrodenlose Ringentladung Vorlesungssammlung Physik der Universität Ulm
- youtube: Tesla Trafo(Leybold)
