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Elektrodynamik

Kursvorlesung Theoretische Physik II
Hörerkreis: Studierende im 4. Semester Physik
Umfang: 4 SWS (plus 2 SWS Übung)

Von allen bedeutenden Erkenntnissen der Physik hat die Maxwelltheorie die Welt wohl am stärksten verändert: Elektrisches Licht, Elektromotoren, Dynamos, Telekommunikation (vom Radio über das Fernsehen bis zur Bildübertragung aus dem Weltraum), Röntgen- und Gammastrahlen, Computer usw. - das alles funktioniert nach Maxwells Gleichungen und wurde durch diese erst möglich. Die Gleichungen sind bis heute die "richtigen" Gleichungen für die Beschreibung elektromagnetischer Vorgänge geblieben: Die Relativitätstheorie war eine Konsequenz davon, in der Quantenelektrodynamik bleiben die Gleichungen als solche ebenfalls ungeändert. Sie formulieren daher einen Zusammenhang, der zu den wichtigsten der ganzen Physik gehört.

Heinrich Mitter, Elektrodynamik

• Die Vorlesungen
• Lehrbücher
• Material
• Exkursionen
• Aufgaben

Die Vorlesungen

1. Mathematische Grundlagen (Kontrollfragen)
2. Vektoranalysis (Kontrollfragen)
3. Helmholtz-Theorem (Kontrollfragen)
4. Feldgleichungen der Elektrostatik (Kontrollfragen)
5. Multipolentwicklung (Kontrollfragen)
6. Elektrostatik mit Leitern (Kontrollfragen)
7. Elektrostatik mit Isolatoren (Kontrollfragen)
8. Energie des elektrostatischen Feldes (Kontrollfragen)
9. Feldgleichungen der Magnetostatik (Kontrollfragen)
10. Magnetische Momente, magnetische Materialien (Kontrollfragen)
11. Induktion (Kontrollfragen)
12. Die Maxwell-Gleichungen (Kontrollfragen)
13. Energie und Impuls elektromagnetischer Felder (Kontrollfragen)
14. Elektromagnetische Wellen I (Kontrollfragen)
15. Elektromagnetische Wellen II (Kontrollfragen)
16. Reflexion und Brechung (Kontrollfragen)
17. Wellen in und auf Leitern (Kontrollfragen)
18. Wellenleiter (Kontrollfragen)
19. Retardierte Potentiale (Kontrollfragen)
20. Erzeugung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen (Kontrollfragen)
21. Dynamische Eigenschaften von Medien (Kontrollfragen)
22. Transformationseigenschaften elektromagnetischer Felder (Kontrollfragen)
23. Relativistische Elektrodynamik (Kontrollfragen)
24. Herleitung der Maxwell-Gleichungen (Skript)

Literatur

• Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands
  The Feynman Lectures on Physics
  Addison-Wesley (1970)
  Dreibändiges Werk, deckt die gesamte Physik des Grundstudiums ab. Elektrodynamische Themen werden hauptsächlich in Band 2 besprochen. Feynman begeistert, macht neugierig und erklärt sehr anschaulich. Unbedingte Empfehlung. Gibt es zur Not auch auf deutsch.
• John D. Jackson
  Klassische Elektrodynamik
  de Gruyter, 4. Auflage (2006), 938 Seiten
  Der Klassiker. Eignet sich auf Grund seines Umfangs auch als lebensbegleitendes Nachschlagewerk.
• Torsten Fließbach
  Elektrodynamik
  Spektrum Akademischer Verlag, 4. Auflage (2004), 376 Seiten
  Klare Darstellung der wesentlichen Dinge, leicht zu lesen. Einige Teile der Vorlesung (insbesondere Elektro- und Magnetostatik) lehnen sich sehr stark an dieses Buch an. Abweichungen gibt es vor allem bei der Behandlung von Feldern in Medien. Verwendet das Gauß’sche Maßsystem.
• David J. Griffith
  Introduction to Electrodynamics
  Prentice Hall, 3. Auflage (1998), 576 Seiten
  Legt sehr viel Wert auf die Vermittlung von physikalisch-intuitivem Verständnis. Viele Beispiele und Probleme die mehr zum Nachdenken als zum Nachrechnen anregen. Trotzdem kommt der ganze mathematische Apparat nicht zu kurz. Verwendet das SI-System, aber eine gewöhnungsbedürftige Notation für Vektoren.
• Wolfgang Nolting
  Grundkurs Theoretische Physik, Bd.3: Elektrodynamik
  Springer, 8. Auflage (2007), 561 Seiten
  Rechnet alles bis ins Kleinste vor. Zum genußvollen Lesen zu detailverliebt, aber eine gute Quelle wenn man anderswo eine Rechnung mal nicht versteht.

Material

• Formelsammlung zur Vektoranalysis: grad, div, rot, Integralsätze, etc.
• Albert Einsteins Arbeit Zur Elektrodynamik bewegter Körper von 1905 als pdf-Datei
• Levitron, der schwebende Magnetkreisel: Theorie (englisch) und Bauanleitung.
• Lesenswerte Betrachtung zum gyromagnetischen Verhältnis des Elektrons: Brian Hayes, g-OLOGY, American Scientist 92, May-June 2004, 212
• kleine, aber superstarke Magnete gibt es bei www.supermagnete.de.
• das schwebende diamagnetische Plättchen gibt es bei www.klangspiel.ch
• Das Feld eines Hertz’schen Dipols schaut man sich am besten als Computer-Animation an. Neben dem Hertz’schen Dipol findet man dort auch Visualisierungen anderer elektrodynamischer Experimente wie dem Ein- und Ausschalten eines Dipols. Die Animationen sind Bestandteil eines sehr empfehlenswerten Vorlesungskriptes.
• Animationen relativistischer Effekte: mit 95 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durch das Brandenburger Tor uvm.
• "Technical Error" ist eine Kurzgeschichte von Arthur C. Clarke aus dem Jahr 1946, in dem die "vierdimensionale" Wirkung elektromagnetischer Felder eine zentrale Rolle spielt. Nachzulesen in Collected Stories of Arthur C. Clarke

Exkursionen

• 2004: Solarzellenhersteller Q-Cells, Thalheim: Bild 1, Bild 2, Bild 3
• 2005: Ausstellung "Einstein. Ingenieur des Universums", Berlin
• 2006: Absorberhalle der Experimentellen Fabrik, Magdeburg: Bild 1, Bild 2, Bild 3
• 2009: Deutsches Elektronen Synchroton (DESY), Hamburg

Übungsaufgaben

• Blatt 1 (01.04.09): Taylorreihenentwicklung, Stokesscher Integralsatz, Delta-Funktion (Lösung)
• Blatt 2 (08.04.09): Rechnen mit Nabla, Vektorfläche, Poisson-Gleichung (Lösung)
• Blatt 3 (15.04.09): Gesamtladung verschiedener Ladungsdichten, Feld eines homogenen Kreiszylinders, Randwertproblem (Lösung)
• Blatt 4 (22.04.09): Multipolentwicklung, Ladung vor geerdeten Metallplatten, Potential aus externer Ladungsdichte und Polarisation (Lösung)
• Blatt 5 (29.04.09): Energie von Ladungsverteilungen, Halbvoller Kugelkondensator, Homogen geladenes Rotationsellipsoid (Lösung)
• Blatt 6 (06.05.09): Halbunendliche Leiterschleife, Homogen magnetisierte Kugel, Magnetischer Monopol (Lösung)
• Blatt 7 (13.05.09): Induktion, Magnetisches Moment einer Kreisscheibe, Abgebremste rotierende Hohlkugel (Lösung)
• Blatt 8 (03.06.09): Homogene Wellengleichung, Feldenergie in einer Spule, Faradays Gleichstromgenerator (Lösung)
• Blatt 9 (10.06.09): Energie und Impuls elektromagnetischer Wellen, Stehende Wellen, Elektronengas (Lösung)
• Blatt 10 (17.06.09): TEM-Moden im Koaxialkabel, Lienard-Wiechert-Potentiale einer Punktladung, TE₀₀-Mode (Lösung)
• Blatt 11 (24.06.09): Energieabstrahlung eines oszillierenden Dipols, Streuung einer monochromatischen ebenen Welle, Zerfliessendes Wellenpaket (Lösung)
• Blatt 12 (01.07.09): Invarianten des elektromagnetischen Feldes, Felder einer vorbeifliegenden Ladung, Zur Aberration