Wechselstrom, Elektromagnetische Wellen, Wellenoptik

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Vorlesung 6:

Wechselstrom, Elektromagnetische Wellen, Wellenoptik

Georg Steinbrück,

georg.steinbrueck@desy.de

Folien/Material zur Vorlesung auf:

www.desy.de/~steinbru/PhysikZahnmed

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Georg Steinbrück

georg.steinbrueck@desy.de WS 2017/18

Steinbrück: Physik I/II ²

Wechselstrom

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Ohmscher Widerstand

Induktiver Widerstand

Kapazitiver Widerstand

Widerstand im Wechselstromkreis

R

_~

= R φ ^{= 0}

R

_~

= 1

ω ^C φ ⁼ π 2 R

_~

= ω ^L φ ^{= -} π

2

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Steinbrück: Physik I/II

1. Start mit aufgeladenem Kondensator

2. C entlädt sich über L, Magnetfeld baut sich auf

3. Strom fließt weiter, selbst wenn C entladen ist, weil die Selbstinduktion den Stromfluss aufrechterhalten will. C wird vollständig aufgeladen (umgekehrte Polarität wie zu Beginn).

4. C entlädt sich über L, ein Magnetfeld baut sich auf (umgekehrte Polarität wie bei 2.)

C L

Der elektrische Schwingkreis

4

E r

B

r E

r

B

r

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Der schwingende Dipol (Herzscher Dipol)

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georg.steinbrueck@desy.de

1887 berühmtes Experiment:

erstmaliger Nachweis em-Wellen!

(die Existenz von em-Wellen wurde

1873 von James Maxwell vorhergesagt)

Heinrich Hertz (1857-1894)

Heinrich Hertz Turm Hamburg

Heinrich Hertz

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WS 2017/18

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Dipolschwingung

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Keine Abstrahlung in Richtung der Dipolachse (weder E noch B).

Maximale Abstrahlung senkrecht zur Dipolachse.

Ablösung der elektromagnetischen Wellen vom Dipol

8

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Elektromagnetische Strahlung entsteht immer, wenn Ladungen beschleunigt werden.

Entstehung elektromagnetischer Wellen

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Ruhende Ladung: E-Feld

Bewegte Ladung (mit konstanter Geschwindigkeit): +B-Feld

Beschleunigte Ladung: +elektromagnetische Wellen

c B

E

B E

r r r

r r

⊥

⊥ ,

digkeit gsgeschwin

Ausbreitun

c r

Java Applet siehe:

http://www.walter-fendt.de/html5/phde/electromagneticwave_de.htm

Ursache von E-Feld, B-Feld, EM-Wellen

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Im Vakuum gilt: In Materie:

Messung:

Einstein (spezielle Relativitätstheorie):

Es gibt keine größere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Daraus folgt z.B.

Zeitdilatation und E=mc².

Die Lichtgeschwindigkeit

c

₀

= c

_V

= 1 ε

0

µ

0

= 299792,459 km

s ≈ 3 ⋅ 10

⁸

m / s

c

_M

= 1

ε

0

µ

0

εµ ⁼ c

_V

εµ ⁼ c

_V

n

mit n :Brechungsindex, n ≥ 1

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Sichtbares Licht:

400 nm < λ < 700 nm

Elektromagnetische Wellen

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Die geometrische Optik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Lichtstrahlen (=ideal schmales Lichtbündel). nächste Vorlesung

Die Wellenoptik erklärt Effekte, die durch die Wellennatur des Lichtes entstehen und mit dem einfachen Bild von Lichtstrahlen nicht erklärt werden können. (Interferenz, Beugung, etc.).

Wellenoptik und Geometrische Optik

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Interferenz zweier Wellen

http://www.walter-fendt.de/ph14d/interferenz.htm

Wellenwanne: http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/optik2c.html

Interferenz

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Polarisationsrichtung:

Schwingungsebene der elektrischen Komponente.

Polarisation von elektromagnetischen Wellen

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Vertikal Polarisierte

Welle Einfallender Strahl

(unpolarisiert)

Polarisator Analysator

Erzeugung von linearer Polarisation

mit einem Polarisationsfilter

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Zirkulare Polarisation

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Beugung tritt auf wenn Wellen (jeder Art: auch Schallwellen oder Wasserwellen) auf einen Spalt oder ein Hindernis treffen, das in der Größenordnung der Wellenlänge (oder kleiner) ist.

Breiter Spalt

Beugung von Wasserwellen an einer Kante.

Beugung von Wasserwellen an einem engen Spalt.

Beugung

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Breiter Spalt: Welle wird auch in den

Schattenbereich gebeugt.

Breite = Wenige Vielfache von λ.

Es treten deutliche Maxima und Minima auf.

Schmaler Spalt: Kugelwelle

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Beugung am Spalt

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Huygensches Prinzip (Huygens-Fresnelsches Prinzip):

Jeder Punkt einer Welle ist Ausgangspunkt einer Kugelförmigen Elementarwelle.

Erklärung der Beugung

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Steinbrück: Physik I/II ²²

Beugung am Einfachspalt

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Steinbrück: Physik I/II ²⁴

Beugung am Einfachspalt: Verschiedene Spaltbreiten

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Wechselstrom, Elektromagnetische Wellen, Wellenoptik

Vorlesung 6: