Grundlagen der Elektromagnetik und Optik

Faraday-Versuche

Wenn ein Magnet in die Nähe einer Spule gebracht wird, die an ein Galvanometer angeschlossen ist, erkennt das Gerät einen Stromfluss. Wird der Magnet gestoppt, zeigt das Galvanometer Null an. Bewegt sich der Magnet weg, entsteht ein Sperrstrom in die entgegengesetzte Richtung. Die zwei Komponenten sind: die Leiterschleife und der Magnet.

Henry-Versuch

Wenn sich ein Leiter senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt, entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen den Enden des Leiters. Diese Spannung führt zu einem Stromfluss, sofern der Leiter Teil eines geschlossenen Stromkreises ist.

Faradaysches Induktionsgesetz

Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Schaltung induziert eine elektromotorische Kraft (EMK). Diese existiert nur für die Dauer der Flussänderung und ist proportional zur Geschwindigkeit der Flussänderung.

Lenzsche Regel

Der induzierte Strom wirkt der Ursache seiner Entstehung entgegen. Dies steht im Einklang mit dem Energieerhaltungssatz.

Selbstinduktion

Eine Stromänderung in einer Spule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld, welches wiederum eine Flussänderung durch die Spule bewirkt. Diese Flussänderung induziert eine EMK, die der ursprünglichen Stromänderung entgegenwirkt.

Gegenseitige Induktion

Gegenseitige Induktion beschreibt das Auftreten einer EMK in einem Stromkreis, wenn sich die Stromstärke in einem benachbarten Stromkreis ändert. Transformatoren nutzen dieses Prinzip, um Wechselstrom bei gleicher Leistung in andere Spannungs- und Stromstärken umzuwandeln.

Wirbelströme

Wirbelströme sind elektrische Ströme, die durch Induktion in festen Leitern entstehen, wenn sich der magnetische Fluss durch sie ändert.

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, bei denen das elektrische und das magnetische Feld senkrecht zueinander sowie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen.

Elektromagnetisches Spektrum

Das Spektrum umfasst die Gesamtheit der Strahlung unterschiedlicher Frequenzen. Im Vakuum breiten sich alle diese Wellen mit der gleichen Geschwindigkeit aus, unabhängig von ihrer Frequenz.

Sphärische Dioptrie

Eine sphärische Dioptrie ist eine gekrümmte Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Es gilt: n'/s' - n/s = (n'-n)/R.

Spiegel

Ein Spiegel ist eine Oberfläche, an der Reflexion auftritt. Die Oberfläche kann eben oder sphärisch sein. Die Formeln der sphärischen Dioptrie sind anwendbar, wenn man die Reflexion als Spezialfall der Brechung betrachtet (n' = -n).

Dünne Linsen

Eine Linse ist ein optisches Bauelement, das durch zwei brechende Flächen begrenzt wird, von denen mindestens eine gekrümmt ist. Man unterscheidet:

• Sammellinsen: In der Mitte dicker als am Rand; sie bündeln parallele Lichtstrahlen in einem Brennpunkt F'.
• Zerstreuungslinsen: Am Rand dicker als in der Mitte; sie streuen parallele Lichtstrahlen.

Reflexion von Licht

Trifft Licht auf eine unebene Oberfläche, erfolgt eine diffuse Reflexion. Trifft es auf eine glatte Oberfläche, spricht man von einer gerichteten Reflexion (Spiegelung).

Snelliussches Brechungsgesetz

Das Verhältnis der Sinuswerte von Einfallswinkel und Brechungswinkel entspricht dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien (n1 * sin i = n2 * sin r). Einfallender Strahl, gebrochener Strahl und Lot liegen in einer Ebene.

Planparallele Platte

Tritt ein Lichtstrahl durch eine planparallele Platte, ist der austretende Strahl parallel zum einfallenden Strahl, erfährt jedoch eine seitliche Verschiebung.

Prisma

Ein Prisma ist ein transparenter Körper, der durch zwei nicht parallele ebene Flächen begrenzt wird. Der Winkel zwischen diesen Flächen heißt Prismenwinkel.

Lichtdispersion

Dispersion ist die Zerlegung von komplexem Licht in seine spektralen Farbanteile aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen. Dies geschieht beispielsweise durch ein Glasprisma.

Geometrische Optik

Die geometrische Optik beschreibt Lichtphänomene mithilfe des Strahlenmodells, ohne die Wellennatur zu berücksichtigen:

1. Licht breitet sich in homogenen Medien geradlinig aus.
2. Ein Lichtstrahl ist eine gedachte Linie in Ausbreitungsrichtung.
3. Es gelten die Gesetze der Reflexion und Brechung.
4. Licht wählt den kürzesten Weg (Fermatsches Prinzip).
5. Lichtstrahlen sind unabhängig voneinander.