1 Die Maxwell Gleichungen

  Wir haben gesehen, wie man aus einigen wenigen fundamentalen Beobachtungen (Coulombkraft, Gesetz von Biot-Savart und das Induktionsgesetz von Faraday) die Grundgleichungen der Elektrodynamik ableiten kann. In differentieller Form lauten die Maxwell Gleichungen




Die Aussagen der beiden homogenen Maxwell Gleichungen legen die Struktur der Felder fest. D.h. (i) man beobachtet keine magnetischen Monopole - das Magnetfeld ist frei von Divergenzen - und (ii) elektrische Wirbelfelder können nur durch zeitlich veränderliche Magnetfelder induziert werden. Elektrostatische Felder sind aufgrund des Zentralkraftcharakters der Coulomb Kraft wirbelfrei.


Die inhomogenen Maxwell Gleichungen initialisieren das elektromagnetische Feld durch die Feldquellen (wahre Ladung), (Strom) und (Verschiebestrom). Die Einführung des Verschiebestromes durch Maxwell, als Konsequenz der zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes, erlaubt auch im ansonsten quellfreien Raum die Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes.


Die Maxwell Gleichungen sind nicht lösbar, solange man keine Informationen über Materialeigenschaften des Mediums besitzt. Die Material Gleichungen verknüpfen und bzw und Felder




und besitzen i.a. eine komplizierte Funktionalstruktur. Die Material Gleichungen reflektieren die makroskopische Phänomenologie der mikroskopischen Eigenschaften des Mediums, wie z.B. elektrische und magnetische Polarisierbarkeiten oder Ohm'sche Leitfähigkeit. Diese Materialeigenschaften lassen sich nur atomistisch verstehen, also auf der Ebene der Quantentheorie. Für den einfachsten Fall linearer Medien hat man




Die Proportionalitätsfaktoren sind i.a. Tensoren, welche die dielektrischen, magnetischen und Ohm'schen Eigenschaften des Mediums beschreiben. Für den Fall isotroper Medien sind Skalare. I.a. sind die Materialeigenschaften orts- und zeitabhängig, bzw ihre Fouriertransformierten


abhängig von Frequenz und Wellenlänge einer einfallenden elektromagnetischen Welle.


Als Konsequenz der Maxwell Gleichungen ergeben sich die Grenzbedingungen der Felder beim Übergang zwischen verschiedenen Medien:




Es bedeuten: Oberflächenladung und Oberflächenstrom auf der Grenzfläche zwischen den Medien. Das Verhalten der Normal- bzw Tangentialkomponenten der Felder ist z.B. verantwortlich für Phänomene der geometrischen Optik (Brechungsgesetze).

H.J. Lüdde