Die Elektromagnetischen Felder: Einführung in Die Feldtheorie Und Ihre Anwendung

ISBN-13: 9783528042257 / Niemiecki / Miękka / 1983 / 323 str.

Alexander ?Von? Weiss; Alexander ~Vonœ Weiss

Opis

Enormes Anwachsen des Wissensstoffes begleitet von einer bisher nicht gekannten Innova tionsdynamik kennzeichnet die technische Entwicklung der letzten zwanzig Jahre in der vielschichtigen Elektrotechnik. Eine Neuauflage der seit 1969 vergriffenen 3. Auflage der; Obersicht tiber die Theoretische Elektrotechnik" des Verfassers, von der bereits Teil II gemeinsam mit Prof. Dr. H. Kleinwachter verfa t wurde, mOOte daher zu einer Buchreihe mit mehreren Verfassem erweitert werden, urn allen Leserwtinschen einigerm en ent gegenzukommen. So bef t sich das vorliegende Buch nur mit der Lehre von den elektro rnagnetischen Feldem, dem eigentlichen Kemgebiet der Theoretischen Elektrotechnik. Es bildet das Fundament fUr viele Zweige der Nachrichtentechnik und der ihr angeglie derten Fachgebiete und erschien daher besonders geeignet zu sein, urn die NTE-Schriften reihe zu erOffnen. Behandelt werden die elektromagnetischen Felder und ihre technische Anwendung, die an 77 Anwendungsbeispielen erlautert wird. Der Stoffumfang reicht von den statischen Feldem bis zu den Mikrowellen und Lichtwellen in Lichtwellenleitem. Den Abschlu bildet ein kurzer Blick in die vierdimensionale Raum-Zeit Welt; er solI eine Vertiefung des Verstandnisses fUr die physikalischen Zusammenhange vermitteln. Als Einftihrung in die Feldtheorie beschrankt sich die Stoffauswahl auf das Wesentliche und vermeidet ein detailliertes Eindringen in die anspruchsvolle mathematische Welt der Theoretischen Elektrotechnik. 1m Vordergrund steht die physikalische Deutung der Naturvorgange, der viel Raum gewidmet wird.

Spis treści

Abschnitt I Einführende Grundlagen.- 1 Mathematische Hilfsmittel.- 1.1 Grundlagen der Vektoralgebra und Vektoranalysis.- 1.1.1 Skalar und Vektor, Ortsfunktion.- 1.1.2 Elementare Differentialoperationen.- 1.1.3 Zusammengesetzte Differentialoperationen.- 1.1.4 Integralsätze.- 1.1.5 Orthogonale krummlinige Koordinaten.- 1.2 Begriffe der äußeren Algebra.- 1.2.1 Multivektoren.- 1.2.2 Äußere Differentiation.- 1.3 Funktionen komplexer und reeller Veränderlicher.- 1.3.1 Funktionen komplexer Veränderlicher.- 1.3.2 Zylinderfunktionen.- 1.3.3 Kugelfunktionen.- 2 Einführende Betrachtungen.- 2.1 Physikalische Größen, Maßsysteme.- 2.1.1 Physikalische Größen.- 2.1.2 Maßsysteme der Elektrodynamik.- 2.1.3 Konventionelle und rationale Schreibweise.- 2.2 Theorien zur Beschreibung der Elektrodynamik.- 2.2.1 Fernwirkung und Nahewirkung.- 2.2.2 Feldtheorie und Elektronentheorie.- 2.2.3 Zur Darstellung der Elektrodynamik.- 3 Die elektromagnetischen Feldgrößen.- 3.1 Die elektrischen Feldgrößen.- 3.1.1 Elektrische Ladung, elektrisches Feld.- 3.1.2 Elektrische Feldstärke, skalares elektrisches Potential.- 3.1.3 Influenz, elektrischer Fluß und Flußdichte.- 3.1.4 Elektrische Stromstärke und Stromdichte.- 3.1.5 Verknüpfung der elektrischen Größen.- 3.1.6 Physikalische Deutung der elektrischen Feldgrößen.- 3.2 Die magnetischen Feldgrößen.- 3.2.1 Magnetisches Feld, magnetischer Fluß.- 3.2.2 Magnetische Feldstärke, magnetische Flußdichte.- 3.2.3 Magnetische Spannung, Durchflutung.- 3.2.4 Zur Ableitung der magnetischen Feldgrößen.- 3.2.5 Physikalische Deutung der magnetischen Feldgrößen.- 3.3 Spezielles Verhalten der vektoriellen Feldgrößen.- 3.3.1 Die Feldgrößen H und B.- 3.3.2 Verhalten an Grenzflächen homogener Materie.- 3.4 Verkettung und Einteilung der Felder.- 3.4.1 Verkettung beider Felder.- 3.4.2 Einteilung der Elektrodynamik.- 3.4.3 Quellen- und Wirbelfelder.- Abschnitt II Das elektrische Feld.- 4 Das elektrostatische Feld.- 4.1 Einige Grundbegriffe.- 4.1.1 Punktladungen.- 4.1.2 Dipol, Multipole.- 4.1.3 Linienladung, Liniendipol.- 4.1.4 Homogene Dipolschichten.- 4.2 Das elektrostatische Feld in dielektrischer Materie.- 4.2.1 Polarisation des Dielektrikums.- 4.2.2 Das Feld im Dielektrikum.- 4.2.3 Polarisationsformen, dielektrische Stoffe.- 4.2.4 Elektrete.- 4.2.5 Piezoelektrizität, Elektrostriktion.- 4.3 Kondensatoren.- 4.3.1 Allgemeines.- 4.3.2 Plattenkondensatoren.- 4.3.3 Der Kugelkondensator.- 4.3.4 Zylinderkondensator, Koaxialkabel.- 4.4 Kräfte und Energie im elektrostatischen Feld.- 4.4.1 Kraftwirkung auf punktförmige Ladungsträger.- 4.4.2 Kraftwirkung auf Dipole und ungeladene Körper.- 4.4.3 Kraftwirkung auf Träger von Flächenladungen.- 4.4.4 Mechanische Spannungen, Kräfte an Grenzflächen.- 4.4.5 Energie im elektrostatischen Feld.- 4.4.6 Ablenkung von Ladungsträgern, Elektronenoptik.- 5 Elektrostatische Probleme.- 5.1 Einfache elektrostatische Probleme.- 5.1.1 Allgemeines.- 5.1.2 Graphische und experimentelle Feldbildermittlung.- 5.1.3 Verfahren der Spiegelung.- 5.1.4 Kugel, zwei Kugeln.- 5.1.5 Einzelleiter, Doppelleiter.- 5.1.6 Mehrleitersysteme.- 5.1.7 Ladungsverteilung auf Leitern.- 5.2 Raumladungsfelder.- 5.2.1 Raumladungswolken.- 5.2.2 Feldverlauf bei Raumladungen.- 5.3 Die Potentialgleichung.- 5.3.1 Einführung.- 5.3.2 Einfache Lösungen.- 5.3.3 Probleme in der Ebene.- 5.3.4 Allgemeine Lösung in Zylinderkoordinaten.- 5.3.5 Allgemeine Lösung in Kugelkoordinaten.- 5.3.6 Zylinder-und Kugelsymmetrie.- 5.4 Konforme Abbüdung.- 5.4.1 Aufgabe der konformen Abbildung in der Elektrostatik.- 5.4.2 Feldermittlung mit Hilfe komplexer Funktionen.- 5.4.3 Berechnung des elektrischen Flusses.- 6 Das stationäre elektrische Strömungsfeld.- 6.1 Kennzeichen und Grundgesetze.- 6.1.1 Grunderscheinungen.- 6.1.2 Grundgesetze.- 6.2 Räumliche Leiteranordnungen.- 6.2.1 Allgemeines.- 6.2.2 Kugel- und Halbkugelelektrode.- 6.2.3 Der Tiefenerder.- 6.2.4 Koaxialkabel und Rohrerder.- 6.3 Elektronen- und Ionenströme.- 6.3.1 Wesen und Mechanismus der Elektrizitätsleitung.- 6.3.2 Elektronenemission.- 6.3.3 Elektrizitätsleitung im Hochvakuum.- 6.3.4 Kennlinie der Gasentladung.- 6.3.5 Glimm- und Bogenentladung.- Abschnitt III Elektromagnetische Felder.- 7 Das Magnetfeld stationärer Ströme.- 7.1 Grundbegriffe und Grunderscheinungen.- 7.1.1 Magnetischer Dipol, magnetisches Moment.- 7.1.2 Magnetisches Vektorpotential, Biot-Savartsches Gesetz.- 7.1.3 Skalares magnetisches Potential, magnetische Doppelschicht.- 7.2 Magnetisches Feld in Materie.- 7.2.1 Die Magnetisierungskurve, Permeabilität.- 7.2.2 Das Feld innerhalb und außerhalb magnetisierter Stoffe.- 7.2.3 Dia- und Paramagnetismus.- 7.2.4 Ferro- und ferrimagnetische Stoffe.- 7.3 Berechnung einfacher magnetischer Felder.- 7.3.1 Gerader, stromdurchflossener Leiter.- 7.3.2 Mehrere parallele Leiter.- 7.3.3 Stromführender Kreisring und Zylinderspule.- 7.3.4 Stromleiter innerhalb und außerhalb von Eisenkörpern.- 7.4 Induktivität und Gegeninduktivität.- 7.4.1 Die Selbstinduktivität.- 7.4.2 Gegeninduktivität und Streuinduktivität.- 7.4.3 Induktivität einiger Anordnungen.- 7.4.4 Die Betriebsinduktivität von Mehrleitersystemen.- 8 Kräfte und Energie.- 8.1 Kräfte und Energie im magnetischen Feld.- 8.1.1 Kraftwirkung auf magnetische Dipole.- 8.1.2 Kräfte auf Ladungsträger und Stromleiter.- 8.1.3 Induktionswirkung im zeitlich konstanten Magnetfeld.- 8.1.4 Kräfte zwischen Stromleitern.- 8.1.5 Kraftwirkung auf Grenzflächen.- 8.1.6 Energie im magnetischen Feld.- 8.1.7 Berechnung der Kraftwirkung aus der Induktivität.- 8.1.8 Räumliche Kraftdichten.- 8.2 Die Maxwellschen Spannungen.- 8.2.1 Der Maxwellsche Spannungsvektor.- 8.2.2 Berechnung des Maxwellschen Spannungstensors.- 8.2.3 Anwendungsbeispiele.- 9 Zeitliche veränderliche Felder.- 9.1 Der Induktionsvorgang und seine Deutung.- 9.1.1 Das Induktionsgesetz.- 9.1.2 Deutung des Induktionsvorgangs.- 9.1.3 Zur Anwendung des Induktionsgesetzes.- 9.2 Energie und Energieströmung.- 9.2.1 Elektromagnetische Feldenergie.- 9.2.2 Energieströmung und Poynting-Vektor.- 9.2.3 Energiebetrachtungen.- 9.2.4 Der komplexe Poynting-Vektor.- 9.3 Verschiedene Formen der Feldgleichungen.- 9.3.1 Die erweiterten Feldgleichungen.- 9.3.2 Die Feldgleichungen in der Elementarstrom- und Mengentheorie.- 9.3.3 Die Feldgleichungen im Frequenzbereich.- 9.4 Physikalisch-mathematische Betrachtungen.- 9.4.1 Quantitäts-und Intensitätsgrößen.- 9.4.2 Die Feldkonstanten.- 9.4.3 Vektorgrad der Feldgrößen.- 9.4.4 Abschließende Betrachtungen.- Abschnitt IV Elektromagnetische Wellen.- 10 Wellen im Dielektrikum und in Leitern.- 10.1 Allgemeine Wellengleichung, Wellenformen.- 10.1.1 Allgemeines.- 10.1.2 Die Wellengleichung.- 10.1.3 Elektrodynamische Potentiale.- 10.1.4 Homogene ebene Wellen.- 10.1.5 Wellenformen.- 10.1.6 Phasen-und Gruppengeschwindigkeit.- 10.2 Ebene Wellen.- 10.2.1 Ebene Wellen im Dielektrikum.- 10.2.2 Ebene Felder in Leitern.- 10.2.3 Zur Schirmwirkung von Blechen.- 10.2.4 Wellen an Grenzflächen.- 10.2.5 Wellen in Medien mit freien Elektronen.- 10.3 Strom- und Feldverdrängung.- 10.3.1 Zur Entstehung der Strom-und Feldverdrängung.- 10.3.2 Wirbelströme in längsmagnetisierten Blechen.- 10.3.3 Wirbelströme in zylindrischen Leitern.- 10.3.4 Wirkwiderstand und innere Induktivität.- 11 Ausbreitung freier und geführter Wellen.- 11.1 Lösungen der skalaren Wellengleichung.- 11.1.1 Zur Einführung elektrodynamischer Potentiale.- 11.1.2 Ausbreitung ebener Wellen.- 11.1.3 Zylinderwellen.- 11.1.4 Kugelwellen.- 11.2 Wellen im freien Raum.- 11.2.1 Wellenablösung.- 11.2.2 Retardierte Potentiale.- 11.2.3 Der Hertzsche und Fitzgeraldsche Dipol.- 11.2.4 Das Strahlungsfeld oszillierender Dipole.- 11.2.5 Leistungsfluß und Strahlungswiderstand.- 11.2.6 Ausstrahlung und Empfang von Wellen.- 11.2.7 Richtstrahlung.- 11.3 Hohlleiter und dielektrische Leitungen.- 11.3.1 Übersicht.- 11.3.2 Wellen in Rechteckrohren.- 11.3.3 Wellen in Rundrohren.- 11.3.4 Verluste in Hohlleitern.- 11.3.5 Hohlraumresonatoren.- 11.3.6 Dielektrische Wellenleiter.- 11.4 Wellen auf Doppelleitungen.- 11.4.1 Die Telegraphengleichung.- 11.4.2 Wellen auf verzerrungsfreier Leitung.- 11.4.3 Die Telegraphengleichung im Frequenzbereich.- 11.4.4 Sprung-und Wanderzellen auf Leitungen.- Abschnitt V Die Raum-Zeit-Welt.- 12 Einführung in die vierdimensionale Elektrodynamik.- 12.1 Vierdimensionale Darstellung.- 12.1.1 Relativitätsprinzip und Lichtgeschwindigkeit.- 12.1.2 Die vierdimensionalen Koordinaten.- 12.1.3 Galilei-und Lorentztransformation.- 12.2 Die vierdimensionalen Feldgrößen.- 12.2.1 Die Feldtensoren.- 12.2.2 Die Feldgleichungen in der Raum-Zeit-Welt.- 12.2.3 Die Feldgleichungen der Elementarstromtheorie.- 12.2.4 Diskussion der Ergebnisse.- Kennzeichnung und Formelzeichen der wichtigsten Größen.- Schrifttum.- Tafel I Dimensionssysteme.- Tafel II Schreibweise einiger Gleichungen in den verschiedenen Systemen.- Tafel III Einheiten im Vierer- und Fünfersystem.- Wichtige Konstanten, Permittivität und Permeabilität einiger Stoffe.