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Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu „Planung und Auswertung von Physikunterricht“ Verfasser: Florian Riemer

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Page 1: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

Elektromagnetische

Wellen

Seminararbeit zu

„Planung und Auswertung von Physikunterricht“

Verfasser: Florian Riemer

Page 2: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 3: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Wilhelm Weber

24.10.1804 –

23.06.1891

Weber

Page 4: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Gustav Robert Kirchhoff

12.03.1824 –

17.10.1887

Kirchhoff

Page 5: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Michael Faraday

22.09.1791 –

25.08.1867

Page 6: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

William Thomson

26.06.1824 –

17.12.1907

Page 7: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

James Clerk Maxwell

13.06.1831 –

05.11.1879

Maxwell

Page 8: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Hermann von Helmholtz

31.08.1821 –

08.09.1894

Helmholtz

Page 9: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Heinrich Hertz

22.11.1856 –

01.01.1894

Page 10: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

1. Die Geschichte der Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Marconi

25.04.1874 –

20.06.1937

Popov

04.03.1859 –

31.12.1905

Marconi Popov

Page 11: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 12: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 13: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 14: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 15: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

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Verschiebungsstrom

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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

Page 18: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 19: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

Page 20: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

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

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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:

Page 22: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

2. Die Maxwellschen Gleichungen und Herleitung der Wellengleichung

2

20 0

1 yy

EE

z

0 0

1c

(Wellengleichung)

(Phasengeschwindigkeit)

Wellengleichung3

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3. Der Hertzsche Dipol

Schwingkreis

Schwingkreis

(Dorn-Bader)

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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

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Schwingunsgdauer2

Lösung:

0ˆ( ) sin

tQ t Q

LC

Schwingungsdauer:

2T LC

3. Der Hertzsche Dipol

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offene Schwingkreis 1. E

3. Der Hertzsche Dipol

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3. Der Hertzsche Dipol

1.E 1.B

Page 28: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

3. Der Hertzsche Dipol

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3. Der Hertzsche Dipol

2. E 2.B

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3. Der Hertzsche Dipol

Animiert

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Metzler

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Interferenz

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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

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Fernfeld (El)

Elektrisches Fernfeld

3. Der Hertzsche Dipol

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3. Der Hertzsche Dipol

Fernfeld (mag)

Magnetisches Fernfeld

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Summe

Die jeweiligen Felder addieren sich.

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Dorn-Bader

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Versuch 2

Metzler

Page 39: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

Versuch 3

Metzler

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Metzler

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http://elektronik-bastelbude.de/bastelecke/bastel23.htm

Radio

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Film

Page 43: Elektromagnetische Wellen Seminararbeit zu Planung und Auswertung von Physikunterricht Verfasser: Florian Riemer Deckblatt

Ende