Elektromagnetismus in Medien
Innerhalb von Materie werden elektromagnetische Felder durch Polarisation, Magnetisierung und Leitung modifiziert, beschrieben durch makroskopische Maxwell-Gleichungen und Materialantwortfunktionen.
Definition
Die Untersuchung elektromagnetischer Felder in materiellen Medien, wobei die gebundenen Ladungen und Ströme der Polarisation und Magnetisierung zusammen mit freien Leitungsströmen die Felder modifizieren und durch Materialgleichungen zusammengefasst werden, die die Felder mit der Materialantwort verknüpfen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die makroskopische Elektrodynamik kontinuierlicher Medien: die Polarisation und Magnetisierung von Materie, die Hilfsfelder D und H, die dielektrischen und magnetischen Materialgleichungen, die elektrische Leitfähigkeit und das Ohmsche Gesetz sowie die frequenzabhängige Permittivität, die die optischen Eigenschaften von Materialien bestimmt. Es wird behandelt, wie die Materialantwort Felder und Wellen umformt, aufbauend auf, aber unterschieden von der Vakuum-Elektrodynamik.
Sub-topics
Core questions
- Wie verändern gebundene Ladungen und Ströme die Felder im Inneren von Materie?
- Welche Materialgleichungen beschreiben die elektromagnetische Antwort eines Materials?
- Wie steuert die Leitfähigkeit Ströme und Energieableitung?
- Wie prägt die frequenzabhängige Antwort das optische Verhalten?
Key concepts
- Polarisation
- Magnetisierung
- elektrische Verschiebungsdichte D
- magnetische Feldstärke H
- Permittivität
- Permeabilität
- Leitfähigkeit
- Materialgleichungen
Key theories
- Makroskopische Maxwell-Gleichungen
- Die Mittelung über mikroskopische Ladungen führt zu den Maxwell-Gleichungen in Materie mit den Hilfsfeldern D und H, deren Quellen nur die freien Ladungen und Ströme sind, ergänzt durch Materialgleichungen.
- Materialgleichungen
- Polarisation, Magnetisierung und Leitungsstrom werden durch Permittivität, Permeabilität und Leitfähigkeit mit den Feldern in Beziehung gesetzt, die von Frequenz, Feldstärke, Richtung und Vorgeschichte abhängen können.
Clinical relevance
Die materielle Elektrodynamik ist die Grundlage für Kondensatoren und Isolatoren, optische und photonische Geräte, Leiter und Halbleiter in der Elektronik, Mikrowellen- und dielektrische Erwärmung sowie die elektromagnetischen Eigenschaften von biologischem Gewebe, die in der Bildgebung und Therapie genutzt werden.
History
Faradays Entdeckung, dass Dielektrika die Kapazität beeinflussen, initiierte die Untersuchung von Feldern in Materie. Die Elektronentheorie von Lorentz und das Drude-Modell der Leitung um 1900 lieferten mikroskopische Erklärungen für Polarisation und Leitfähigkeit, die Landau und Lifschitz später als Elektrodynamik kontinuierlicher Medien systematisierten.
Key figures
- Michael Faraday
- Hendrik Lorentz
- Paul Drude
Related topics
Seminal works
- landau1984
- jackson1998
Frequently asked questions
- Warum werden die Felder D und H eingeführt?
- Sie fassen die gebundenen Ladungen und Ströme der Materie so zusammen, dass deren Quellen nur die freien Ladungen und Ströme sind, wodurch die Anwendung der Maxwell-Gleichungen in Materialien vereinfacht wird, sobald die Materialantwort bekannt ist.
- Was ist eine Materialgleichung?
- Es ist das materialspezifische Gesetz, das die Antwort (Polarisation, Magnetisierung oder Leitungsstrom) mit den angelegten Feldern in Beziehung setzt, wie z.B. die Permittivität, Permeabilität oder Leitfähigkeit des Mediums.