Stationäre Ströme und Magnetfeld

Aus PhysikWiki
Version vom 20. August 2010, 14:23 Uhr von Schubotz (Diskussion | Beiträge) (Die Seite wurde neu angelegt: „{{Scripthinweis|2|Elektrodynamik}} =Kontinuitätsgleichung= Bewegte Ladungen entsprechen elektrischem Strom I Experimentelle Erfahrung: Die Ladung bleibt erhal…“)
(Unterschied) ← Nächstältere Version | Aktuelle Version (Unterschied) | Nächstjüngere Version → (Unterschied)
Zur Navigation springen Zur Suche springen



Kontinuitätsgleichung

Bewegte Ladungen entsprechen elektrischem Strom I

Experimentelle Erfahrung: Die Ladung bleibt erhalten:

Damit folgt ein globaler Erhaltungssatz:


Also gerade die Ladung, die durch pro zeit aus V herausströmt Als eine lokale Größe findet man die elektrische Stromdichte:

( Gauß !) für alle Volumina V ( einfach zusammenhängend)

Somit folgt die Kontinuitätsgleichung als LOKALER Erhaltungssatz:

Speziell bei stationären Ladungsverteilungen gilt die Divergenzfreiheit des Stroms:

Aber : natürlich muss deswegen nicht gelten. Der Strom muss räumlich lediglich stationär sein !

Magnetische Induktion

Experimentelle Erfahrung:

Es existieren Wechselwirkungen zwischen den Ladungen: Eine Kraft wirkt auf Ladungen q, die sich mit v bewegen:

Die sogenannte Lorentz- Kraft !

ist die magnetische Induktion am Ort , die erzeugt wird von den anderen Ladungen mit einer zugeordneten Stromdichte .

Die Erzeugung dieser Magnetischen Induktion erfolgt gemäß des Ampereschen Gesetzes:

Dies läuft völlig analog zur Coulomb- Wechselwirkung in der Elektrostatik:

Die Einheiten im SI- System lauten:

Mit diesen Einheiten ist dann festgelegt, wie die Dielektrizitätskonstante jedoch frei wählbar !! Die magnetische Induktion beschreibt keine neue, von der Coulomb- Wechselwirkung unabhängige WW: Man betrachte dazu lediglich die Transformation auf das lokale Ruhesystem einer bewegten Ladung:

Im Gauß System:


Die Kraft zwischen 2 stromdurchflossenen Leitern:

Betrachten wir zwei infinit. dünne Leiter L, L´, die mit konstanten Strömen I und I´ durchflossen werden:

Der Strom durch L´:

Somit folgt das Biot- Savartsche Gesetz für unendlich lange Leiter L´:

Die magnetische Induktion ist gerade:

Die Kraft auf eine Ladung im Volumenelement d³r von L ist damit gerade:

Also:

Dies ist dann die gesamte Kraft von L´ auf L

mit

( Der Leiter ist entweder geschlossen oder die Enden liegen im Unendlichen) folgt:

für parallele Ströme:

folgt Anziehung für antiparallele Ströme:

dagegen Abstoßung

Man sieht außerdem das dritte Newtonsche Gesetz:

Somit:

( actio gleich reactio)

Die magnetostatischen Feldgleichungen

Sie gelten auch in quasistaischer Näherung: Die zeitliche Änderung muss viel kleiner sein als die räumliche !!

Mit dem Vektorpotenzial

Welches nicht eindeutig ist, sondern beliebig gemäß umgeeicht werden kann. ( beliebig möglich, da )

Mit diesem Vektorpotenzial also kann man schreiben:

Beweis:

Folgende Aussagen sind äquivalent: Es existiert ein Vektorpotenzial mit

Beweis:

es gibt keine Quellen der magnetischen Induktion ( es existieren keine "magnetischen Ladungen".

Aber: Magnetische Monopole wurden 1936 von Dirac postuliert, um die Quantelung der Ladung zu erklären. ( aus der quantenmechanischen Quantisierung des Drehimpulses !) Dies wurde durch die vereinheitlichte Feldtheori4e wieder aufgenommen ! Es wurden extrem schwere magnetische Monopole postuliert, die beim Urknall in den ersten erzeugt worden sein sollen.

Sehr umstritten ist ein angeblicher experimenteller Nachweis von 1982 ( Spektrum der Wissenschaft, Juni 1982, S. 78 ff.) Der Zusammenhang zwischen

und

Wobei die verwendete Kontinuitätsgleichung natürlich nur für statische Ladungsverteilungen gilt !

Im Allgemeinen Fall gilt dagegen:

Mit dem Gaußschen Satz. Wenn das Potenzial jedoch ins unendliche hinreichend rasch abfällt, so gilt:

Also:

Also:

Auf der anderen Seite ergibt sich ganz einfach

wegen

Also:

Für stationäre Ströme, die gerade bei stationären Ladungsverteilungen vorliegen, folgt:

Dies ist die differenzielle Form des Ampereschen Gesetzes Die Ströme sind die Wirbel der magnetischen Induktion !!

Integration über eine Fläche F mit Rand liefert die Intgralform:

Mit dem Satz von Stokes Das sogenannte Durchflutungsgesetz !

Zusammenfassung:

Magnetostatik:

( quellenfreiheit)

Gilt jedoch nur im Falle der Coulomb- Eichung:

Dies geschieht durch die Umeichung

Elektrostatik:

( Wirbelfreiheit)

differenzielle Form / integrale Form

( Poissongleichung)

Magnetische Multipole

( stationär)

Ausgangspunkt ist (mit der Coulomb- Eichung )

mit den Randbedingungen für r-> unendlich

Taylorentwicklung nach von analog zum elektrischen Fall: Die Stromverteilung sei stationär für

Monopol- Term

Mit

Im stationären Fall folgt aus der Kontinuitätsgleichung:

Mit folgt dann:

Somit verschwindet der Monopolterm in der Theorie

Dipol- Term

mit

und mit

Folgt:

Da

weil der Strom verschwindet ! Somit gibt der Term

keinen Beitrag zum

Also:

Als DIPOLPOTENZIAL !!

das magnetische Dipolmoment !

Analog zu

dem elektrischen Dipolmoment

Die magnetische Induktion des Dipolmomentes ergibt sich als:

Wegen:

mit

Analog ergab sich als elektrisches Dipolfeld:

Beispiel: Ebene Leiterschleife L:


Mit I = Strom durch den Leiter

Dabei ist

die Normale auf der von L eingeschlossenen Fläche F

Also: Ein Ringstrom bedingt ein magnetisches Dipolmoment


analog: 2 Punktladungen bedingen ein elektrisches Dipolmoment , welches von der positiven zur negativen Ladung zeigt.

Bewegte Ladungen N Teilchen mit den Massen mi und den Ladungen qi bewegen sich.

Dabei sei die spezifische Ladung

konstant:

Das magnetische Dipolmoment beträgt:

Mit dem Bahndrehimpuls

gilt aber auch für starre Körper !

  • Allgemeines Gesetz !

Jedoch gilt dies nicht für den Spin eines Elektrons !!!

Somit ist der Spin nicht vollständig durch die Vorstellung von einer rotierenden Ladungsverteilung zu verstehen !

Kraft auf eine Stromverteilung:

im Feld einer externen magnetischen Induktion

Spürt die Lorentzkraft

Talyorentwicklung liefert:

im stationären Fall gilt wieder:

( keine Monopole) Also:

Man fordert:

( Das externe Feld soll keine Stromwirbel im Bereich von haben:

( Vergl. S. 34)