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2020 | OriginalPaper | Chapter

10. Energietransport in elektromagnetischen Systemen

Author : Andreas Helzel

Published in: Elektrodynamik an Schule und Hochschule

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Bisher wurden die Energie und ihr Transport in diesem Buch nur am Rande erwähnt. Eine ausführliche Betrachtung der Energiedichte in den einzelnen Feldern wie in Lehrbüchern wurde nicht durchgeführt, da sie für die Sekundarstufe I geringe Relevanz hat und den Umfang der Kapitel unverhältnismäßig vergrößert hätte. Dieses Kapitel gibt einen vergleichenden Überblick für dieses Thema. Theoretische Lehrbücher konzentrieren sich beim Energietransport meist auf elektromagnetische Wellen und Strahlung. Um einen engen Bezug speziell zur Darstellungsweise in der Sekundarstufe I herzustellen, werden in diesem Kapitel mit den gleichen theoretischen Konzepte auch der Energietransport im elektrischen Stromkreis und Transformator betrachtet.
Außerdem wird vertieft das Energieverständnis diskutiert und im hochschulischen Abschnitt ein zusammenfassender Überblick zu den Maxwell-Gleichungen gegeben.

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Footnotes
1
Die späteren Abb. 10.5 und 10.6 sind Beispiele für Energieflussdiagramme.
 
2
Wie genau, kann in einem der theoretischen Lehrbücher wie Griffiths oder Fließbach nachgelesen werden.
 
3
Da sich in einem Kondensator für gewöhnlich ein Dielektrikum befindet, das durch das Feld polarisiert wird, nennt man die Änderung der elektrischen Flussdichte auch oft Verschiebungsstrom.
 
4
Inbegriffen sind jegliche bedeutungsgleiche Variationen – Wärmestrom, Wärme fließt, Wärmeleitfähigkeit, und so weiter.
 
5
Erneut möchte ich hier lediglich auf eines der Lehrbücher der Theoretischen Physik verweisen.
 
6
Möchte man sich noch grundlegendere Gedanken zum Energiekonzept machen, ist dieser Text ein idealer Ausgangspunkt.
 
7
Definition: Die elektrische Stromstärke I wird in elektrischer Stromrichtung positiv gewertet und die elektrische Spannung U ist das Integral über die elektrische Feldstärke entlang eines Pfades in elektrischer Stromrichtung.
 
8
Die Stromdichte ist für gewöhnlich die Stromstärke pro Querschnittsfläche. Da man hier beliebig dünne Platten betrachtet, bezieht man die Stromdichte auf die „Querschnittslinie“ der Länge l.
 
9
Welcher Arm es genau ist, der bei positivem Strom ein entsprechender magnetischer Pol wird, hängt von der Wicklung der Spulen ab. Das Vorzeichen der Polung ist allerdings nicht von Bedeutung.
 
10
Der Betrag und sogar die Richtung des Energiestroms durch den Transformator können sich mit der Zeit ändern, mit der Einschränkung, dass im zeitlichen Mittel die übertragene Energie \(P\ge 0\) ist. Möchte man den Energietransport durch einen Transformator erschöpfend erklären, muss man auch diesen Aspekt berücksichtigen. Hier beschränke ich mich auf einen Zeitpunkt, um die Felder betrachten zu können.
 
11
Die gesamte vorhandene Feldstärke \(\vec {E}\) von Induktion und induzierten Ladungen wird nicht als ein System betrachtet, sondern ist die Summe des Wirbelfeldes der Induktion und des im Stromkreis entstehenden Gradientenfeldes, \(\vec {E}=\vec {E}_W+\vec {E}_G\).
 
Literature
1.
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2.
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Bang, Gunter, et al. 2012. Kuhn Physik SI Niedersachsen. Hrsg. Wilfried Kuhn und Rainer Müller. Braunschweig: Westermann.
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Bogenberger, Benedict et al. 2015. Universum Physik Band 2 Baden-Württemberg. Hrsg. von Carl-Julian Kienle Reine, und Pardall. Berlin: Cornelsen
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Meschede, Dieter (Hrsg.). 2010. Gerthsen Physik. Berlin: Springer.
11.
12.
13.
Schmälzle, Peter. 2012. Energieströme im elektromagnetischen Feld. In Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 61:30-32.
Metadata
Title
Energietransport in elektromagnetischen Systemen
Author
Andreas Helzel
Copyright Year
2020
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Book
Elektrodynamik an Schule und Hochschule

Print ISBN: 978-3-662-61841-7

Electronic ISBN: 978-3-662-61842-4

Copyright Year: 2020

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61842-4_10