Maxwell- Gleichungen in Materie: Difference between revisions

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In Lorentz Eichung !
In Lorentz Eichung!


:<math>\nabla \cdot \bar{E}=-\frac{\partial }{\partial t}\nabla \cdot \bar{A}\left( \bar{r},t \right)-\nabla \cdot \nabla \Phi =\frac{1}{{{c}^{2}}}\frac{{{\partial }^{2}}}{\partial {{t}^{2}}}\Phi -\Delta \Phi =-\#\Phi =\frac{1}{{{\varepsilon }_{0}}}\left( \rho +{{\rho }_{p}} \right)=\frac{1}{{{\varepsilon }_{0}}}\left( \rho -\nabla \cdot \bar{P} \right)</math>
:<math>\nabla \cdot \bar{E}=-\frac{\partial }{\partial t}\nabla \cdot \bar{A}\left( \bar{r},t \right)-\nabla \cdot \nabla \Phi =\frac{1}{{{c}^{2}}}\frac{{{\partial }^{2}}}{\partial {{t}^{2}}}\Phi -\Delta \Phi =-\#\Phi =\frac{1}{{{\varepsilon }_{0}}}\left( \rho +{{\rho }_{p}} \right)=\frac{1}{{{\varepsilon }_{0}}}\left( \rho -\nabla \cdot \bar{P} \right)</math>


per Definition von
per Definition von
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:<math>\begin{align}
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Mit dem Magnetfeld
Mit dem Magnetfeld
:<math>H\left( \bar{r},t \right)</math>
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, welches so definiert wurde, dass es nur durch die FREIEN Ströme erzeugt wird:
welches so definiert wurde, dass es nur durch die FREIEN Ströme erzeugt wird:


<u>'''Zusammenfassung:'''</u>
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Im Gauß System ( weil so oft in diesem angegeben, vergl. Jackson):
Im Gauß System (weil so oft in diesem angegeben, vergl. Jackson):


:<math>\begin{align}
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Unsere 6 Feldgleichungen ( wenn man so will, also ( es kann nicht oft genug gezeigt werden):
Unsere 6 Feldgleichungen (wenn man so will, also (es kann nicht oft genug gezeigt werden):


:<math>\begin{align}
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für diamagnetische Stoffe:
für diamagnetische Stoffe:
:<math>\bar{B}\left( \bar{r},t \right)\uparrow \downarrow \bar{M}\left( \bar{r},t \right)</math>
:<math>\bar{B}\left( \bar{r},t \right)\uparrow \downarrow \bar{M}\left( \bar{r},t \right)</math>,
,
 
also ein skalarer Zusammenhang
also ein skalarer Zusammenhang


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also ein linearer Zusammenhang
also ein linearer Zusammenhang


# ohne Gedächtniseffekte, keine nichtlokale Wechselwirkung ( keine Phasenkohärenzen):
# ohne Gedächtniseffekte, keine nichtlokale Wechselwirkung (keine Phasenkohärenzen):


:<math>\bar{E}\left( \bar{r},t \right)\tilde{\ }\bar{P}\left( \bar{r},t \right)</math>
:<math>\bar{E}\left( \bar{r},t \right)\tilde{\ }\bar{P}\left( \bar{r},t \right)</math>
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:<math>\bar{B}\left( \bar{r},t \right)\tilde{\ }\bar{M}\left( \bar{r},t \right)</math>
:<math>\bar{B}\left( \bar{r},t \right)\tilde{\ }\bar{M}\left( \bar{r},t \right)</math>


neben der Linearität also ein INSTANTANER, LOKALER Zusammenhang !
neben der Linearität also ein INSTANTANER, LOKALER Zusammenhang!


Dann kann man schreiben:
Dann kann man schreiben:
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und der magnetischen Suszeptibilität
und der magnetischen Suszeptibilität
:<math>{{\chi }_{M}}</math>
:<math>{{\chi }_{M}}</math>
( Materialkonstanten).
(Materialkonstanten).
Die Materialkonstanten müssen aus den mikroskopischen Theorien ( z.B. Quantentheorie, Festkörperphysik) abgeleitet werden.
Die Materialkonstanten müssen aus den mikroskopischen Theorien (z.B. Quantentheorie, Festkörperphysik) abgeleitet werden.


:<math>\bar{D}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\bar{E}\left( \bar{r},t \right)+\bar{P}={{\varepsilon }_{0}}\left( 1+{{\chi }_{e}} \right)\bar{E}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\varepsilon \bar{E}\left( \bar{r},t \right)</math> mit <math>\varepsilon =\left( 1+{{\chi }_{e}} \right)</math>
:<math>\bar{D}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\bar{E}\left( \bar{r},t \right)+\bar{P}={{\varepsilon }_{0}}\left( 1+{{\chi }_{e}} \right)\bar{E}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\varepsilon \bar{E}\left( \bar{r},t \right)</math> mit <math>\varepsilon =\left( 1+{{\chi }_{e}} \right)</math>,
, der relativen Dielektrizitätskonstante ( permittivity)
der relativen Dielektrizitätskonstante (permittivity)


:<math>\bar{B}={{\mu }_{0}}\left( \bar{H}+\bar{M} \right)={{\mu }_{0}}\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)\bar{H}\left( \bar{r},t \right)={{\mu }_{0}}\mu \bar{H}</math> mit <math>\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)=\mu </math>
:<math>\bar{B}={{\mu }_{0}}\left( \bar{H}+\bar{M} \right)={{\mu }_{0}}\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)\bar{H}\left( \bar{r},t \right)={{\mu }_{0}}\mu \bar{H}</math> mit <math>\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)=\mu </math>,
, der relativen Permeabilität
der relativen Permeabilität


:<math>\Rightarrow \bar{M}={{\chi }_{M}}\bar{H}=\frac{1}{{{\mu }_{0}}}\frac{{{\chi }_{M}}}{\mu }\bar{B}=\frac{1}{{{\mu }_{0}}}\frac{{{\chi }_{M}}}{\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)}\bar{B}</math>
:<math>\Rightarrow \bar{M}={{\chi }_{M}}\bar{H}=\frac{1}{{{\mu }_{0}}}\frac{{{\chi }_{M}}}{\mu }\bar{B}=\frac{1}{{{\mu }_{0}}}\frac{{{\chi }_{M}}}{\left( 1+{{\chi }_{M}} \right)}\bar{B}</math>
Line 231: Line 231:
Es gilt stets
Es gilt stets
:<math>{{\chi }_{e}}>0</math>
:<math>{{\chi }_{e}}>0</math>
( Dielektrischer Effekt, Polarisierbarkeit -> es existiert keine negative Polarisierbarkeit)
(Dielektrischer Effekt, Polarisierbarkeit es existiert keine negative Polarisierbarkeit)


:<math>{{\chi }_{M}}\begin{matrix}
:<math>{{\chi }_{M}}\begin{matrix}
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Ein Term
Ein Term
:<math>\tilde{\ }\bar{B}</math> in <math>\bar{P}</math> oder <math>\tilde{\ }\bar{E}</math> in <math>\bar{M}</math>
:<math>\tilde{\ }\bar{B}</math> in <math>\bar{P}</math> oder <math>\tilde{\ }\bar{E}</math> in <math>\bar{M}</math>
kann gar nicht auftreten, schon wegen des falschen Raumspiegelverhaltens !
kann gar nicht auftreten, schon wegen des falschen Raumspiegelverhaltens!


:<math>\bar{E}</math>
:<math>\bar{E}</math>
ist polarer Vektor,
ist polarer Vektor,
:<math>\bar{B}</math>
:<math>\bar{B}</math>
ist axialer Vektor !
ist axialer Vektor!


:<math>{{\rho }_{P}}\left( \bar{r},t \right)=-\nabla \cdot \bar{P}\left( \bar{r},t \right)</math>
:<math>{{\rho }_{P}}\left( \bar{r},t \right)=-\nabla \cdot \bar{P}\left( \bar{r},t \right)</math>
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drückt den anisotropen Charakter aus mit einem symmetrischen Tensor
drückt den anisotropen Charakter aus mit einem symmetrischen Tensor
:<math>{{\bar{\bar{\chi }}}_{e}}</math>
:<math>{{\bar{\bar{\chi }}}_{e}}</math>.
.
 


2) für starke Felder gibt es nichtlineare Effekte, die ebenfalls tensoriellen Charakter der Suszeptibilität bedingen:
2) für starke Felder gibt es nichtlineare Effekte, die ebenfalls tensoriellen Charakter der Suszeptibilität bedingen:
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:<math>\bar{P}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }dt\acute{\ }{{\chi }_{e}}\left( \bar{r},\bar{r}\acute{\ },t,t\acute{\ } \right)\bar{E}\left( \bar{r}\acute{\ },t\acute{\ } \right)</math>
:<math>\bar{P}\left( \bar{r},t \right)={{\varepsilon }_{0}}\int_{{}}^{{}}{{}}{{d}^{3}}r\acute{\ }dt\acute{\ }{{\chi }_{e}}\left( \bar{r},\bar{r}\acute{\ },t,t\acute{\ } \right)\bar{E}\left( \bar{r}\acute{\ },t\acute{\ } \right)</math>


( räumliche bzw. zeitliche Dispersion):
(räumliche bzw. zeitliche Dispersion):


:<math>\hat{\bar{P}}\left( \bar{k},\omega  \right)={{\varepsilon }_{0}}{{\hat{\chi }}_{e}}\left( \bar{k},\omega  \right)\hat{\bar{E}}\left( \bar{k},\omega  \right)</math>
:<math>\hat{\bar{P}}\left( \bar{k},\omega  \right)={{\varepsilon }_{0}}{{\hat{\chi }}_{e}}\left( \bar{k},\omega  \right)\hat{\bar{E}}\left( \bar{k},\omega  \right)</math>

Latest revision as of 00:22, 13 September 2010


{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=5|Abschnitt=3}} Kategorie:Elektrodynamik __SHOWFACTBOX__


Die vollständigen Potenziale enthalten

Somit folgt für die vollständigen Potenziale:

Diese Potenziale sind Lösungen der inhomogenen Wellengleichung in Lorentz- Eichung

Für die Felder in Materie folgt:

Daraus folgen die Maxwell- Gleichungen:

  • Wie im Vakuum

In Lorentz Eichung!

per Definition von

.


Die Dielektrische Verschiebung

4) Letzte Gleichung:

Mit dem Magnetfeld

,
welches so definiert wurde, dass es nur durch die FREIEN Ströme erzeugt wird:

Zusammenfassung:

Dabei beschreibt

die Wechselwirkung der Felder mit Probeladungen und

die Erzeugung der Felder durch FREIE Ladungen und Ströme

Weiter:

Im Gauß System (weil so oft in diesem angegeben, vergl. Jackson):

die Erzeugung der Felder durch FREIE Ladungen und Ströme

Weiter:

Unsere 6 Feldgleichungen (wenn man so will, also (es kann nicht oft genug gezeigt werden):

sind nicht vollständig. Es muss noch der Zusammenhang zwischen Polarisation und E- Feld, bzw. B- Feld und Magnetisierung angegeben werden. Dies sind die sogenannten " Materialgleichungen".

Einfachster Fall:

  1. isotrope Materie:

und für paramagnetische Stoffe

für diamagnetische Stoffe:

,

also ein skalarer Zusammenhang

  1. bei nicht zu hohen Feldern:

also ein linearer Zusammenhang

  1. ohne Gedächtniseffekte, keine nichtlokale Wechselwirkung (keine Phasenkohärenzen):

neben der Linearität also ein INSTANTANER, LOKALER Zusammenhang!

Dann kann man schreiben:

Mit den Suszeptibilitäten, der elektrischen Suszeptibilität

und der magnetischen Suszeptibilität

(Materialkonstanten). Die Materialkonstanten müssen aus den mikroskopischen Theorien (z.B. Quantentheorie, Festkörperphysik) abgeleitet werden.

mit ,
der relativen Dielektrizitätskonstante (permittivity)
mit ,
der relativen Permeabilität

Man sagt: Ein Stoff ist paramagnetisch für

diamagnetisch für

paramagnetisch:

diamagnetisch

Bemerkungen

beschreibt kein Ferroelektrikum

kein Ferromagnet

Es gilt stets

(Dielektrischer Effekt, Polarisierbarkeit → es existiert keine negative Polarisierbarkeit)

Para- ODER Diamagnet

Ein Term

in oder in

kann gar nicht auftreten, schon wegen des falschen Raumspiegelverhaltens!

ist polarer Vektor,

ist axialer Vektor!

ist ein Skalar

ist ein polarer Vektor.

Abweichungen

1)Für anisotrope Kristalle :

drückt den anisotropen Charakter aus mit einem symmetrischen Tensor

.


2) für starke Felder gibt es nichtlineare Effekte, die ebenfalls tensoriellen Charakter der Suszeptibilität bedingen:

Anwendung: optische Nichtlinearität, Beispiel: optische Bistabilität, optische Schalter:


Für hochfrequente Felder folgt:

(räumliche bzw. zeitliche Dispersion):