Experimental Physics 2 (Electromagnetismus) - Cheatsheet.pdf

Optische Phänomene: Brechung, Beugung und Interferenz

Definition:

Optische Phänomene umfassen Brechung, Beugung und Interferenz, die durch die Wechselwirkung von Lichtwellen mit Materialien und anderen Wellen entstehen.

Details:

• Brechung: Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht an der Grenze zweier Medien mit unterschiedlicher Brechzahl n. Brechungsgesetz: \[ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 \]
• Beugung: Ablenkung von Lichtwellen an Hindernissen oder Spalten. Huygens'sches Prinzip: jedes Punkt auf einer Wellenfront ist die Quelle neuer Elementarwellen.
• Interferenz: Überlagerung von zwei oder mehr Lichtwellen, die zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz führt. Bedingungen für konstruktive Interferenz: \[ \text{Gangunterschied} = m \lambda \]
• Bedingungen für destruktive Interferenz: \[ \text{Gangunterschied} = (m + 0.5) \lambda \]

Polarisation und Quanteneffekte des Lichts

Definition:

Wechselwirkung von Licht mit Materie unter Berücksichtigung seiner Polarisationszustände und quantenmechanischen Eigenschaften.

Details:

• Polarisation: Schwingungsebene des elektromagnetischen Feldes
• Linear: Elektrisches Feld in einer festen Ebene
• Kreisförmig: Elektrisches Feld rotiert; rechts- oder linksdrehend
• Elliptisch: Kombination aus linearer und kreisförmiger
• Mathematische Darstellung über Jones-Vektoren
• Quanteneffekte:
• Photon als Quantenobjekt
• Teilchen-Welle-Dualismus
• Photoelektrischer Effekt: Emission von Elektronen bei Lichteinfall
• Compton-Effekt: Wechselwirkung von Photonen mit Elektronen
• Heisenbergsche Unschärferelation: \(\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \)
• Polarisation von Einzelphotonen: Experimente mit Polarimetern

Elektromagnetische Verträglichkeit und Strahlenschutz

Definition:

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) befasst sich mit der Vermeidung von Störungen zwischen elektronischen Geräten. Strahlenschutz minimiert die Exposition gegenüber elektromagnetischer Strahlung.

Details:

• EMV: Störungen elektromagnetischer Art müssen vermieden oder beherrscht werden.
• Abschirmungen und Filter zur Reduktion elektromagnetischer Interferenzen (EMI).
• Strahlenschutz: gesetzliche Vorgaben zur Begrenzung der Strahlenexposition.
• Elektrische und magnetische Feldstärkegrenzen:
• Elektrische Feldstärke: \(E_{max} = 10 \, \text{V/m}\)
• Magnetische Feldstärke: \(H_{max} = 0,3 \, \text{A/m}\)

Messung elektrischer und magnetischer Felder und Verwendung von Messgeräten

Definition:

Messung elektrischer und magnetischer Felder mittels entsprechender Messgeräte zur Analyse und Charakterisierung von elektromagnetischen Phänomenen.

Details:

• Elektrische Feldstärke: gemessen in Volt pro Meter (\frac{V}{m})
• Magnetische Flussdichte: gemessen in Tesla (T)
• Verwendete Messgeräte: Elektrometer, E-Feld-Sonde, Magnetometer, Hall-Sonde
• Elektro- und Magnetfeldspektroskopie für frequenzabhängige Messungen
• Kalibrierung und Eichung zur Genauigkeitssicherung
• Vermeidung von Störungen und Rauschen durch Abschirmung
• Beachtung von Sicherheitsvorschriften, insbes. bei hohen Feldstärken
• Typische Experimente: Untersuchung des Ausschwingverhaltens, Fourier-Analyse, Feldvisualisierung

Fehleranalyse und Dateninterpretation in experimentellen Anwendungen

Definition:

Fehleranalyse und Dateninterpretation: Bewertung der Genauigkeit experimenteller Ergebnisse, Identifizierung von Fehlerquellen, Berechnung der Fehlerfortpflanzung und Interpretation der resultierenden Daten im Kontext des Elektromagnetismus.

Details:

• Begriffe: systematische Fehler, statistische Fehler, absolute Fehler, relative Fehler
• Fehlerfortpflanzung: \( \Delta f = \sqrt{ \left( \frac{\partial f}{\partial x} \cdot \Delta x \right)^2 + \left( \frac{\partial f}{\partial y} \cdot \Delta y \right)^2 } \)
• Signifikanzniveau und Konfidenzintervall
• Dateninterpretation: Vergleich mit theoretischen Werten, Verwendung von Fehlerbalken in Diagrammen