Wieso müssen sich TEM Wellen in einer Mehrfachleitung spezielle Zweiphasenleitng=Dreifachleitung ausbreiten und nicht in einem Hohlleiter wie die TM/TE Welle? Ich dachte bisher immer das sich auch TEM Wellen in Hohlleiter ausbreiten ... Und aus was für Leiter bestehen die Mehrfachleitungen einer TEM Welle? Würde jetzt auf Koaxialkabel tippen, aber dachte das man diese gar nicht im zusammenhang mit Wellenausbreitungen nutzt ..
scvsv schrieb: > Ich dachte bisher immer das sich auch TEM Wellen in Hohlleiter > ausbreiten ... Stark verkürzt gesagt: Wenn man einen in z-Richtung gleichförmigen Hohlleiter hat, und Wellenausbreitung in z-Richtung annimmt, kann man die Felder im Hohlleiter schreiben als
wobei die harmonische e^{i omega t}-Zeitabhängigkeit nicht explizit hingeschrieben wurde, z-Dach der Einheitsvektor in z-Richtung ist, und e_z und h_z die Feldkomponenten in z-Richtung sowie e_|| und h_|| die Feldkomponenten in transversaler Richtung sind. Wenn man das in die Maxwell-Gleichungen
für harmonische Zeitabhängigkeit und für den (quellenfreien) Hohlleiter-Innenraum einsetzt und zielgerichtet umformt, bekommt man ein partielles Differentialgleichungssystem mit den transversalen Feldkomponenten auf der linken Seite und den longitudinalen auf der rechten. Für TEM-Wellen, also wenn E_z = H_z = 0 ist, liefert dieses Gleichungssystem den Zusammenhang
d.h. es gibt keine Cutoff-Frequenz; ferner bekommt man aus der Helmholtz-Gleichung für E und H, dass die Transversalkomponenten eine Laplace-Gleichung erfüllen:
und
D.h. die Transversalkomponenten der Felder verhalten sich formal wie statische Felder, und die verschwinden in einem geschlossenen Hohlraum mit leitenden Wänden. Daher existieren in einem Hohlleiter keine TEM-Wellen. Wenn man also eine TEM-Welle haben will, braucht man eine Leitung mit zwei Leitern, z.B. eine koaxiale Leitung. > Würde jetzt auf Koaxialkabel tippen, aber dachte das man diese gar nicht > im zusammenhang mit Wellenausbreitungen nutzt Doch, sicher. Auf einem Koaxialkabel nutzt man TEM-Wellenausbreitung. Und man betreibt koaxiale Leitungen immer unterhalb der Cutoff-Frequenz von höheren TE- und TM-Moden. Edit: Vorzeichen.
Frage => gute Antwort kein Gezeter, kein Geschrei µC ist doch noch nicht verloren. Danke für diesen Beitrag!
Eine TEM Welle im Raum ist eine ebene Welle, eigentlich ohne Rand. Was man nun machen kann ist die Amplitude in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung radial exponentiell abfallen zu lassen. Das ergibt eine Strahl Charakteristik. Bei saemtlichen EM Wellen ist uebrigens E & H in jedem Punkt senkrecht zueinander. Und bei einer TEM Welle beide senkrecht zur Ausbreitungsrichting, dem Pointing Vektor.
Joggel E. schrieb: > Bei saemtlichen EM Wellen ist uebrigens E & H in jedem Punkt senkrecht > zueinander. Beweis? Zumindest in inhomogenen oder anisotropen Medien wird das nicht gelten. Und auch im Vakuum gibt es Wellenlösungen, für die E und H nicht senkrecht zueinander sind, z.B. bestimmte stehende Wellen (dummerweise Paywall): https://doi.org/10.1119/1.15489 https://doi.org/10.1143/JPSJ.58.3570 Leider sind einführende oder praxisorientierte Lehrbücher oft nicht sehr gut geschrieben, was solche Fragestellungen betrifft. Meistens wird, ohne dass das explizit ausgesprochen wird, nur gezeigt, dass Transversalwellen mit E⊥H die Maxwell-Gleichungen im Vakuum lösen, nicht jedoch, dass die Transversalität zwingend ist (E⊥H ist, wie gesagt, nicht zwingend). Und in bestimmten Medien oder bei Randbedingungen (Hohlleiter) ist, wie schon festgestellt, auch die Transversalität nicht mit den Maxwell-Gln. und den Randbedingungen vereinbar.
Mario H. schrieb: > (dummerweise Paywall) war da nicht was mit sci.... ? ;-) Mario H. schrieb: > Transversalwellen mit E⊥H die Maxwell-Gleichungen im Vakuum lösen, nicht > jedoch, dass die Transversalität zwingend ist (E⊥H ist, wie gesagt, > nicht zwingend). Und in bestimmten Medien oder bei Randbedingungen > (Hohlleiter) ist, wie schon festgestellt, auch die Transversalität nicht > mit den Maxwell-Gln. und den Randbedingungen vereinbar. Frage dazu. (und auch verweisend auf deinen Beitrag weiter oben): Ich habe deine beiden Links gelesen und habe mir das noch nie überlegt. Bezüglich stehender Wellen macht es Sinn, da ja in dem Fall kein Energietransport stattfindet, dennoch würde ich da nicht auf die Idee kommen, dass E parallel zu H sein sollte - obwohl dies aufgrund von
naheliegend wäre. Lassen wir mal die stehenden Wellen aussen vor: Also im Vakuum und ohne stehende Wellen teile ich deine Aussage nicht, denn wenn man die Maxwellgleichungen, die du weiter oben gepostet hast, und die ich hier nicht nochmal zitiere, anschaut, und für
einsetzt, also einen skalaren wert, dann ist doch
wobei ich das ganze Zeug mit der Kreisfrequenz und der magn. Feldkonstanten in x zusammengefasst habe. x ist skalar und imaginär (weil wir für diese Betrachtung im Vakuum sind). Aber in diesem Fall muss doch der Vektor auf der rechten Seite senkrecht zu E sein, wegen des Rotationsoperators, eben weil x skalar ist. Oder? Zusätzlich muss noch eine 90° Phasenverschiebung eintreten, weil x imaginär ist. Jetzt wird in den von dir verlinkten Papers immer B statt H betrachtet. Wenn man in einem "lustigen" Medium unterwegs ist, welches anisotrop ist oder sonstwie ein Metamaterial ist, dann wäre ja mu ein Tensor, und B müsste nicht mehr zwangsläufig parallel zu H sein - in dem Fall könnte H immer noch senkrecht zu E sein, und B in einem beliebigen Winkel dazu stehen. Warum sollte hier H auch nicht orthogonal zu E sein? wenn eps kein Tensor ist, sind wiederum E und H senkrecht. Wenn man dieselbe Überlegung anstellt mit eps als Tensor und mu als Skalar, kommt man zum selben Ergebnis. Nicht? Dass E und H nicht parallel sein müssen, ist meiner Meinung nach erst dann der Fall, wenn man ein ganz verrücktes Medium hat, wo mu und eps Tensoren sind, in dem Fall müsste E tatsächlich nicht Senkrecht zu H sein und umgekehrt. Wenn aber keine komischen Materialien involviert sind, dann sind die doch senkrecht. Nun zu den stehenden Wellen. Ich glaube nicht, dass bei stehenden Wellen grundsätzlich E||H sein soll?! Wie gesagt habe ich mir das noch nie überlegt, aber ich denke es sollte sicher S=0 sein, weil die stehende Welle ja keine Energie transportiert. Andererseits habe ich schon diverse Male TEM Wellen in Resonatoren untersucht, und meine Berechnungen hätten nicht gestimmt wenn E||H gewesen wäre, drum würde mich eine kurze Erklärung sehr interessieren, wie S=0 sein kann, ohne dass E||H erfüllt ist. (Oder ist S dann einfach nur rein imaginär? das habe ich mir jetzt nicht überlegt. Es ist ein wenig spät :-)).
Tobias P. schrieb: > war da nicht was mit sci.... ? ;-) Ich habe ja nichts dagegen, wenn Verlage Geld für ihre Dienstleistung Verlangen. Allerdings ist der Aufwand für die Zeitschriftenproduktion seit den Zeiten des Buchdrucks mit beweglichen Lettern deutlich gesunken, und die Autoren erledigen einen Großteil der Arbeit, ebenso sind Herausgeber und Referees meist öffentlich bezahlt. Die Preise sind dagegen in letzter Zeit exponentiell gestiegen. Und wenn man dann noch trotz gutem Manuskript einen Korrekturabzug mit hundert Fehlern bekommt... > Also im Vakuum und ohne stehende Wellen teile ich deine Aussage nicht Wenn E∥H ist, dann gilt natürlich S = E × H = 0, und für die im verlinkten Artikel in Am. J. Phys. konstruierten Wellen ist das auch der Fall, wenn ich das richtig im Kopf habe (ich habe den Artikel leider nicht hier, daher das nur aus dem Gedächtnis). Und diese Wellen leben auch im Vakuum, also ist B = mu_0 H. > Aber in diesem Fall muss doch der Vektor auf der rechten Seite senkrecht > zu E sein, wegen des Rotationsoperators, eben weil x skalar ist. Oder? > Zusätzlich muss noch eine 90° Phasenverschiebung eintreten, weil x > imaginär ist. Für ein beliebiges Vektorfeld A gilt im allgemeinen nicht
denn der Rotationsoperator ist ein Differentialoperator. Ein Gegenbeispiel ist
Dann gilt
> Jetzt wird in den von dir verlinkten Papers immer B statt H betrachtet. > Wenn man in einem "lustigen" Medium unterwegs ist, welches anisotrop ist > oder sonstwie ein Metamaterial ist, dann wäre ja mu ein Tensor, und B > müsste nicht mehr zwangsläufig parallel zu H sein - in dem Fall könnte H > immer noch senkrecht zu E sein, und B in einem beliebigen Winkel dazu > stehen. Warum sollte hier H auch nicht orthogonal zu E sein? wenn eps > kein Tensor ist, sind wiederum E und H senkrecht. Wenn man dieselbe > Überlegung anstellt mit eps als Tensor und mu als Skalar, kommt man zum > selben Ergebnis. Nicht? Die Feldstärke H muss, wie gesagt, aufgrund der Maxwell-Gleichungen nicht notwendig senkrecht zu E sein. Der Rest stimmt natürlich: Wenn epsilon ein Tensor ist, kann B irgendeinen Winkel zu E haben. > Nun zu den stehenden Wellen. Ich glaube nicht, dass bei stehenden Wellen > grundsätzlich E||H sein soll?! Das hat, glaube ich, auch niemand behauptet. Die in dem Am. J. Pnys.-Papier konstruierten Wellen mit E∥H sind stehende Wellen. Allerdings gilt die Umkehrung, dass für jede stehende Welle E∥H ist, soweit ich das sehe, nicht. Ich habe aber noch nicht im Detail darüber nachgedacht. Und ich muss mir das Papier noch einmal besorgen. So genau habe ich es nicht mehr vor Augen. > Andererseits habe ich schon diverse Male TEM Wellen in Resonatoren > untersucht, und meine Berechnungen hätten nicht gestimmt wenn E||H > gewesen wäre, drum würde mich eine kurze Erklärung sehr interessieren, > wie S=0 sein kann, ohne dass E||H erfüllt ist. (Oder ist S dann einfach > nur rein imaginär? das habe ich mir jetzt nicht überlegt. Es ist ein > wenig spät :-)). Allerdings, mir fallen auch die Augen zu. :-) Die nächsten Tage werde ich nicht dazu kommen, aber ich denke einmal darüber nach. Alles weitere also später.
Mario H. schrieb: > Ich habe ja nichts dagegen, wenn Verlage Geld für ihre Dienstleistung > Verlangen. Allerdings ist der Aufwand für die Zeitschriftenproduktion > seit den Zeiten des Buchdrucks mit beweglichen Lettern deutlich > gesunken, und die Autoren erledigen einen Großteil der Arbeit, ebenso > sind Herausgeber und Referees meist öffentlich bezahlt. Die Preise sind > dagegen in letzter Zeit exponentiell gestiegen. Und wenn man dann noch > trotz gutem Manuskript einen Korrekturabzug mit hundert Fehlern > bekommt... was meinst du damit? ich finde die Paywall ziemlich daneben, denn sehr viele Papers werden mit Geld vom Steuerzahler erstellt an Unis usw., dann sollte der Steuerzahler auch die Möglichkeit haben, die Papers anzuschauen - auch wenn das wohl 99% niemals tun würden. Aber das war jetzt etwas OT ;-)
Mario H. schrieb: >> [...] drum würde mich eine kurze Erklärung sehr interessieren, >> wie S=0 sein kann, ohne dass E||H erfüllt ist. (Oder ist S dann einfach >> nur rein imaginär? das habe ich mir jetzt nicht überlegt. Es ist ein >> wenig spät :-)). > > Allerdings, mir fallen auch die Augen zu. :-) So, nachdem wir ausgeschlafen haben nochmal zurück zum Thema stehenden Wellen und Poynting-Vektor. Am besten lässt sich die Sache an einem konkreten Fall nachvollziehen. Wir betrachten im Folgenden ein lineares, homogenes und isotropes Medium, d.h.
Ferner sei der Raum quellenfrei. Das einfachste Beispiel einer stehenden Welle bekommt man durch die Überlagerung zweier entgegengesetzt laufender homogener ebener Wellen mit Wellenvektor k; die beiden Wellen werden mit den Indizes 1 und 2 bezeichnet:
Aus den Maxwell-Gleichungen bekommt man für ebene Wellen die Bedingung
und
und analog natürlich auch für E_2^0 und B_2^0. Eine damit verträgliche Wahl für der Vektoramplituden ist z.B.
wobei die skalaren Amplituden so gewählt sind, dass die obige Bedingung zwischen B_1^0 und E_1^0 bzw. E_2^0 und B_2^0 erfüllt ist. Ferner hat man
Diese beiden Wellen überlagert man nun zu einer stehenden Welle:
und
Nun kann man den Poynting-Vektor berechnen:
Man erhält dann
und für die gemischten Terme
Insgesamt ergibt das
Wie man sieht, ist S nicht Null, obwohl eine stehende Welle vorliegt. Allerdings ist das zeitliche Mittel von S in jedem Raumpunkt Null:
d.h. im zeitlichen Mittel ist der Energietransport durch jede Fläche innerhalb Wellenfeldes Null. Hier ist natürlich
Wenn allerdings E∥H ist, folgt
d.h. der Poynting-Vektor verschwindet identisch. Also zusammengefasst (das gilt in der Tat so allgemein, auch wenn wir nur ein bestimmtes ebenes Wellenfeld betrachtet haben):
Insbesondere folgt für eine stehende Welle nicht, dass notwendig E∥H gilt. Nochmal zu dem zitierten Papier von Zaghloul und Buckmaster in Am. J. Phys.: Dort wird eine allgemeine Bedingung hergeleitet, die zu E∥H äquivalent ist, und es werden ein paar theoretische und physikalische Beispiele dazu angegeben. Kurz zusammengefasst: Für das Vektorpotential A in Coulomb-Eichung gilt
und in einem quellenfreien Bereich ist A Lösung von
(wenn Quellen vorhanden sind ist die Gleichung inhomogen, und rechts steht -\mu J, mit J der Stromdichte). Eine allgemeine Lösung ist durch den d'Alembert-Ansatz
gegeben; den gesamten Lösungsraum bekommt man durch Superposition solcher Lösungen mit verschiedenem k, A_+, A_- und omega. Und diese Welle ist unter den obigen Annahmen (lineares homogenes Medium, Quellenfreiheit, keine Randbedingungen) dann automatisch transversal. In dem Papier wird nun gezeigt, dass E∥H genau dann gilt, wenn
wobei
Damit kann man schließlich konkrete Beispiele konstruieren. So, alle Klarheiten beseitigt? Tobias P. schrieb: > was meinst du damit? Dass die Verlage es mit ihrem Gewinnstreben und der Ausnutzung ihrer Machtposition deutlich übertreiben, wenn sich selbst größere Universitätsbibliotheken bestimmte Zeitschriften nicht mehr leisten können. Wobei die großen kommerziellen Verlage sich da in der jüngeren Vergangenheit durchaus bewegt und eine Menge älterer Sachen freigegeben haben. Was außerdem auffällt ist, dass die ganzen berufsständischen Organisationen wie AMS, AIP, IOP, etc., oder IEEE bei den Ingenieuren, da überhaupt nicht mitmachen, auch wenn man es von denen am ehesten erwarten sollte. > ich finde die Paywall ziemlich daneben, denn sehr viele Papers werden > mit Geld vom Steuerzahler erstellt an Unis usw., dann sollte der > Steuerzahler auch die Möglichkeit haben, die Papers anzuschauen - auch > wenn das wohl 99% niemals tun würden. Klar nervt das, und anders wäre es mir auch lieber. Allerdings brauchen ich und andere Steuerzahler nur in die Nachbarstadt in die Uni-Bibliothek zu fahren und bekommen die Artikel dort kostenlos. Oder in der örtlichen Stadtbibliothek per Fernleihe. Auch wenn das nicht sehr bequem ist, und auch nicht mehr wirklich zeitgemäß. > Aber das war jetzt etwas OT ;-) Stimmt. :-) Edit: Vorzeichen und Rechtschreibfehler
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