Elektromagnetische Felder und Wellen

Inhalt

So wie die klassische Mechanik auf den Newtonschen Gesetzen beruht, so nehmen die Maxwell-Gleichungen in der Elektrodynamik die Rolle der fundamentalen Basispostulate ein. Die gesamte Vielfalt der elektromagnetischen Phänomene lässt sich auf diese Gleichungen zurückführen. Die Maxwellschen Gleichungen haben deshalb eine zentrale Bedeutung für das Verständnis der Hochfrequenztechnik (Antennen, Wellenleiter) und sind Grundlage der klassischen Optik.

In der Vorlesung wird zunächst eine induktive Vorgehensweise gewählt, d.h. die Maxwell-Gleichungen werden nicht a priori als Grundpostulate an den Anfang gestellt, vielmehr werden ausgehend von experimentellen Gegebenheiten wie dem Coulomb-Gesetz, dem Biot-Savartschen-Gesetz und dem Induktionsgesetz die Maxwell-Gesetze Schritt für Schritt hergeleitet. Nacheinander werden dazu die Elektrostatik, die Magnetostatik und zuletzt die Elektrodynamik behandelt. Weitere Themen widmen sich der Beschreibung von Materie in elektromagnetischen Feldern, dem Verhalten von Feldvektoren auf Grenzflächen sowie einigen mathematischen Verfahren zur Berechnung von Feldverteilungen.

Nachdem die Maxwell-Gleichungen nun hergeleitet sind, wird zur Beschreibung der elektromagnetischen Wellen eine deduktive Vorgehensweise gewählt. Hierbei werden die Maxwell-Gleichungen an den Anfang gestellt und daraus die wichtigsten Wellenphänomene hergeleitet. Behandelt werden die Wellengleichungen, das Reflexions- und Brechungsgesetz der Optik, Polarisationseffekte, Dispersionseffekte, die Wellenausbreitung in Materie sowie die Telegraphengleichung. Zum Schluss der Vorlesung wird für interessierte Studenten ein kleiner Einstieg in die Relativitätstheorie präsentiert, dieser ist jedoch nicht prüfungsrelevant.

Hinweise zur Vorlesung

Die Vorlesung wird mit Hilfe von Zoom online durchgeführt, das Präsentationsmaterial wird am Abend vorher auf Moodle bereitgestellt. Euer Mikrofon ist nach Betreten der Sitzung stummgeschaltet. Die Kamera sollte nicht aktiviert werden. Zwischenfragen können jederzeit durch Einschalten des Mikrofons oder über die Tastatur im Chat erfolgen. Jede Vorlesung wird aufgezeichnet und einige Stunden nach der Veranstaltung auf Moodle zur Verfügung gestellt. In dem Video wird nur die Stimme des Dozenten zu hören sein, die Zwischenfragen der Studierenden werden nicht aufgezeichnet.

Hinweise zu den Übungen

Bei der Übung werden die kritischen Rechenschritte in den für die Stunde vorgesehenen Aufgaben, welche auf der Moodle Kursseite zur Verfügung gestellt sind, auf einem Whiteboard erläutert. Die Übungsaufgaben sind typische Aufgaben aus dem Fachgebiet, aber tendenziell eher schwierig, so dass man sich keine Sorgen machen muss, wenn man diese, bevor man die Lösung gezeigt und erläutert bekommt, alleine noch nicht lösen kann. Es ist aber trotzdem empfehlenswert, sich vor der Übung schon mit den Aufgaben vertraut zu machen. Ihr als Studierende seid aufgerufen, direkt Fragen zu den einzelnen Schritten zu stellen, damit wir wissen, wo es Probleme gibt und darauf direkt eingehen können. Die Folien werden mitsamt den Anmerkungen im Nachgang auf Moodle als PDF bereit gestellt, ebenso die Aufzeichnung der Übung als Video.

Hinweise zu den Tutorien

Wir treffen uns zu den festgelegten Terminen zu den Tutorien in Zoom. Innerhalb von Zoom werden wir Breakout-Räume eröffnen, in denen dann in Kleingruppen die Aufgaben gemeinsam bearbeitet werden können. Jürgen und Jakob schauen dann immer wieder in den Räumen vorbei, um euch unmittelbar bei Schwierigkeiten zu unterstützen und die Lösungen mit euch diskutieren zu können. Die Aufgaben sind in der Regel deutlich einfacher als die der Übung und lassen sich meistens schon gut mit dem noch relativ frischen Stoff aus der Vorlesung bearbeiten. Gerne darf das Tutorium auch an mehreren Tagen besucht werden und auch Fragen, welche nichts mit den eigentlichen Aufgaben zu tun haben, gestellt werden.

Die Aufgaben findet ihr auf Moodle, eine Musterlösung zu den Tutorien wird jeweils nach dem Tutorium am Mittwoch auf Moodle zur Verfügung gestellt.

Informationen zur Prüfung

Die Prüfungen im Sommersemester 2021 finden am 06.08.2021 und 29.09.2021 (nicht, wie zunächst hier fälschlicher Weise angegeben am 29.10.2021) statt, voraussichtlich von 09:00 - 11:00 Uhr.

Die Aufgaben in der schriftlichen Prüfung müssen innerhalb von 120 Minuten gelöst werden. Es sind nur handgeschriebene Unterlagen (keine Kopie!) zugelassen. Die Unterlagen müssen in einem Ordner, Schnellhefter oder Heft gebündelt sein. Auch ein Taschenrechner ist nicht zugelassen, wird für die Prüfung aber auch nicht benötigt.

Die Prüfung ist mit 4.0 bestanden, wenn etwa 30% der Aufgaben gelöst sind, eine 1.0 gibt es ab etwa 65%. Die vorgesehene Bearbeitungszeit für alle Aufgaben überschreitet das Zeitlimit deutlich, um eine Resever für Black-Outs und für Studierende, die tendenziell eher langsam schreiben, zur Verfügung zu stellen.

Bei zweimaligem Nichtbestehen der schriftlichen Prüfung kommt es zu einer mündlichen Prüfung, aber auch in Sonderfällen kann es diese geben. Zur Vereinbarung dieser wendet ihr euch bitte an Jürgen.

Tutorien

Leitung: Jakob Hirlinger-Alexander

Termine:
Montag 12:00-14:00 Uhr
Dienstag 14:00-16:00 Uhr
Mittwoch 12:00-14:00 Uhr

Sprache

Deutsch

Umfang

Vorlesung: 2h / Woche
Übung: 2h / Woche
Tutorium: 2h / Woche
Zusatzveranstaltungen: 2h / Woche
8 ECTS

Prüfung

Schriftliche Prüfung

Dauer: 120 Minuten
1. Termin: 06.08.2021
2. Termin: 29.09.2021

Alte Klausuren

Mündliche Prüfung

Nach Vereinbarung bei zweimaligem Nichtbestehen oder in Sonderfällen

Veranstaltungsnummer

ENGFN 70384

Moodle Kursseite