Grundlagen und Anwendungen von Elektrizität und Magnetismus
Immer dann, wenn elektrische Ladungen eine Rolle spielen, handelt es sich um Elektrizität. Liegen die Ladungen in Ruhe vor, rufen sie statische elektrische Felder hervor. Elektrische Felder sind dabei dadurch charakterisiert, dass sie ihrerseits Kräfte auf beliebige elektrische Ladungen ausüben. In diesem Fall handelt es sich um das Teilgebiet der Elektrostatik. Sobald elektrische Ladungen in Bewegung sind, wird von einem elektrischen Strom gesprochen, der immer auch ein magnetisches Feld zur Folge hat. Umgekehrt kann durch ein magnetisches Feld eine elektrische Spannung induziert werden. Die Aufklärung dieser Zusammenhänge führt zu den vier grundlegenden Gleichungen der Elektrodynamik, den Maxwellschen Gleichungen.
Ohne die bahnbrechenden Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität vor allem im 18. und 19. Jahrhundert wäre unser heutiges Leben undenkbar.
Wurde elektrischer Strom unmittelbar nach seiner Entdeckung zunächst vor allem zur Beleuchtung eingesetzt, so gibt es inzwischen kein technisches Gerät, das ohne Stromversorgung auskommt. Grundlegende elektrische Bauelemente wie ohmsche Widerstände, Kondensatoren und Spulen sind Bestandteil jedes elektrischen Gerätes. Letztendlich basiert das gesamte Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik auf den Grundlagen der Elektrodynamik. Darüber hinaus lassen sich aber auch zahlreiche Naturerscheinungen wie Blitze oder Polarlichter mit Hilfe der Gesetze der Elektrodynamik erklären und verstehen.
Inhalt der Vorlesung
Die Vorlesung umfasst insgesamt 30 Doppelstunden mit den folgenden Schwerpunkten:
- Was sind elektrische Ladungen und wie entstehen sie?
- Kräfte zwischen ruhenden Ladungen
- Was bedeutet der Begriff der elektrischen Feldstärke?
- Berechnung von elektrischen Feldern: Das Gaußsche Gesetz der Elektrostatik
- Elektrisches Potenzial und elektrische Spannung
- Wie verhalten sich metallische Leiter im elektrischen Feld?
- Was ist ein Kondensator?
- Elektrisch isolierende Materialien (Dielektrika) im elektrischen Feld
- Der elektrische Strom
- Kräfte beim Vorhandensein von magnetischen Feldern
- Durch elektrische Ströme erzeugte Magnetfelder
- Das Faradaysche Induktionsgesetz erklärt Transformatoren und Generatoren
- Die Selbstinduktion
- Die Maxwellschen Gleichungen als Grundgleichungen der Elektrodynamik
- Elektromagnetische Wellen
Literatur
Lehrbücher
- Halliday, Resnick, Walker: Halliday Physik, Bachelor-Edition, Wiley-VCH
- Tipler, Mosca: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure, Springer-Verlag
- Bergmann, Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2: Elektromagnetismus, Walter de Gruyter Verlag
- Demtröder: Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik, Springer-Verlag
- Lüders, Pohl: Pohls Einführung in die Physik - Band 2: Elektrizitätslehre und Optik, Springer-Verlag
Aufgabensammlungen
Erklärvideos im Netz
Link zu OPAL-Kursen mit ergänzenden Vorlesungsunterlagen, Übungsaufgaben und Praktikumsanleitungen
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Experimentalphysik
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