Helmholtzsche Elektrodynamik - .Geschichtliche Hintergrund • 1814/1815 Wiener Kongress nach Napoleons

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  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik

    Inhalt: 1. Geschichtliches 2. Wilhelm Eduard Weber 3. Hermann von Helmholtz 4. Vergleich Maxwells und Helmholtzs Theorien 5. Ende des Fernwirkungsprinzipes

  • Zeitleiste

    Heinrich Hertz

    Herrman von Helmholtz

    1800

    James Clerk Maxwell

    19001850

    Michael Faraday

    André-Maire Ampère

    Wilhelm Weber

    Hendrik Lorentz

    J. J.Thomson

    Hans Christian Ørsted

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Geschichtliche HintergrundGeschichtliche Hintergrund • 1814/1815 Wiener Kongress nach Napoleons Niederlage => Deutscher Bund

    • 1849 Märzrevolution, Paulskirchenverfassung, konstitutionelle Monarchie

    • 1870/1871 Deutsch-Französische Krieg, Deutsches Kaiserreich unter Wilhelm 1.

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Wilhelm Eduard WeberWilhelm Eduard Weber

     1804 Geboren in Wittenberg

     1831-1837 und ab 1849 Professor für Physik an der Universität Göttingen

     1833 erster elektromagnetischer Telegraf

     1846 „Grundgesetz der Elektrodynamik“

     1891 Gestorben in Göttingen Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Herman Ludwig Ferdinand von Herman Ludwig Ferdinand von HelmholtzHelmholtz

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Geboren am 31. August 1821 in Potsdam

    1838 Medizin Studium am Friedrich Wilhelm Institut in Berlin

    1849 Professor für Physiologie und Pathologie in Königsberg

    1855 Lehrstuhl fürAnatomie und Physiologie in Bonn

    1858 Lehrstuhl für Physiologie in Heidelberg

    1871 Professor für Physik in Berlin

    1888 Erster Präsident der physikalisch-technischen Reichsanstalt in Berlin

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Herman Ludwig Ferdinand von Herman Ludwig Ferdinand von HelmholtzHelmholtz

    Universalgenie „Reichskanzler der Physik“

     Erhaltung der Energie  Freie Energie  Resonanztheorie des Hörens  Dreifarbentheorie  Wissenschaftliche Meteorologie  Prinzip der kleinsten Wirkung

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • GrundvorstellungenGrundvorstellungen  Dekompositionsprinzip: alle natürlichen

    Wechselwirkungen lassen sich auf ein Zentralkraft zwischen zwei Massepunkten (Volumenelementen) zurückführen.*

    Es gilt Energieerhaltung

    *es besagt nicht wie es gemacht wird, noch dass es gemacht werden muss, deswegen löst er sich später von dem Prinzip

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Wilhelm Eduard Weber 1846Wilhelm Eduard Weber 1846

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

    K= e×e'

    r 2 1−

    1 c2

     dr dt

    2 2r c2

    × d2 r dt2

     Bewegungsgleichung für mechanistische Teilchen

     Wechselwirkung zwischen Fluiden

     Energieerhaltung ?

     c ist Webersche Konstante (= c)

     Beschreibt gesamte bis dato bekannte Elektrodynamik

  • ElektrophysiologeElektrophysiologe  Hat die Gesetze von Ohm, Kirchhoff, Faraday

    benutzt

     Benutzte modernste Messinstrumente wie Wheatstone Brücke oder ballistische Galvanometer

     Seine Experimente basierten oft auf offenen Stromkreisen, für die keine Theorie existierte

     Nachteil: Hatte es am Anfang schwer als Fachfremder im Bereich der theoretischen Physik Anerkennung zu finden

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Erhaltung der Kraft 1847Erhaltung der Kraft 1847  Aus der Physiologie: Wärmeentwicklung in

    der Muskulatur

     Gegen unerschöpfliche Lebenskraft (Vitalismus)

     In geschlossenem System bleibt der Skalar Energie erhalten, kann aber von einer in eine andere Form umgewandelt werden.

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Hydrodynamische Gleichungen für Hydrodynamische Gleichungen für Wirbelbewegungen 1856Wirbelbewegungen 1856  Ideale Flüssigkeit, Ansatz von Euler (Keine Viskosität, perfektes Kontinuum)

     Erhaltung der Wirbelbewegung mathematisch hergeleitet (Rotation des Geschwindigkeitsvektors)

     Ersten numerischen Wettermodelle

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Hydrodynamische Gleichungen für Hydrodynamische Gleichungen für Wirbelbewegungen 1856Wirbelbewegungen 1856  Analoges Ergebnis für den magnetischen

    Effekt von Stromdichten (Biot & Savart)

     Zitat Maxwells zu diesen Ergebnissen: „Lines of fluid motion are arranged

    according to the same laws as the lines of magnetic force.“

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  • Franz NeumannFranz Neumann magnetisches Potentialmagnetisches Potential

     Räumliche Variation liefert Amperes Gesetz

     Zeitliche Ableitung gibt Induktion

     Nur für geschlossene Stromkreise

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik

    Vereinigung der Theorien  k = 0 => Maxwell

     k = 1 => Neumann

     k = -1 => Weber (wurde ausgeschlossen, weil Energieerhaltung nicht

    erfüllt)

    Ziel: Bestimmung von k Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik  Problem:

    Konnte die gleichzeitige Bewegung von Körpern nicht beschreiben, was auch experimentell gefunden wurde

    z.B. Rotierender Draht unter Magnet

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  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik erweiterte Potentialtheorieerweiterte Potentialtheorie

     Annahme: Äther sei hoch Polarisierbar Immer noch Fernwirkungsprinzip

     => Analoge Wellengleichungen für elektrische und magnetische Polarisierung seperat

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik erweiterte Potentialtheorieerweiterte Potentialtheorie

     => Seperation in Skalar und Vektorpotential

     Vorhersage von transversalen und longitudinalen Wellen (für k = 0 verschwinden longitudinale Wellen)

     Problem: Wenn hoch polarisierbar, dann wirkt dies der Kraft, die polarisiert entgegen.

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Helmholtzsche ElektrodynamikHelmholtzsche Elektrodynamik erweiterte Potentialtheorieerweiterte Potentialtheorie

     Ausschreibung einer Preisaufgabe: Ein schnell variierender Strom in einem Stromkreis mit

    Kondensator sollte in einem sekundären Stromkreis einen Strom induzieren

    (Seine Idee: Die Polarisierung des Mediums zwischen den Kondensatorplatten führt zum Übertrag der Energie)

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Ähnliche Ergebnisse bei komplett Ähnliche Ergebnisse bei komplett unterschiedlicher Sichteise unterschiedlicher Sichteise

    (Maxwell)(Maxwell)

     Basis: Auslenkung in einem raumerfüllenden elastischen Äther.

     Zeitlich veränderliche Auslenkung verantwortlich für Strom

     Ladung nicht eigenständig sondern Eigenschaft der Auslenkung

     Auslenkung ist kontinuierlich im Raum

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Ähnliche Ergebnisse bei komplett Ähnliche Ergebnisse bei komplett unterschiedlicher Sichteiseunterschiedlicher Sichteise

    (Helmholtz)(Helmholtz)

     Konkrete Bewegung geladener Teilchen  Polarisierung über Fernwirkung  Anderes Äthermodell  Dekompositionsprinzip  Energieerhaltung

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • SchlussbemerkungSchlussbemerkung  Auf dem Feld der Elektrodynamik keine

    direkte Hinterlassenschaft  ABER: Bindeglied zw. Maxwell und Hertz; Theorie und

    Experiment  Danach sofortige Annerkennung der

    Überlegenheit der Maxwell-Hertz Theorie

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2

  • Danke für die AufmerksamkeitDanke für die Aufmerksamkeit

    Thomas Zirngibl; Universität Regensburg, Naturwissenschaftliche Fakultät 2