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Theoretische Physik II/ Computational Physics

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Theoretische Physik II/ Computational Physics
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Abschlussarbeiten

Abschlussarbeiten im FG Theoretische Physik II

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Erstellt: Mon, 16 Oct 2017 23:05:23 +0200 in 0.0099 sec


Weber, Katja
Modellierung der Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich von Gebäuden. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit, 2017

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein einfaches Modell zu erstellen, welches die Ausbreitung von Funkwellen im Innenbereich eines Gebäudes berechnet. Es wurde sich in dieser Arbeit zum einen auf die Ausbreitung in einem Raum mit beliebig geformter Geometrie und zum anderen auf einen viereckigen Raum mit einem Hindernis konzentriert. Für die Beschreibung der Wellenausbreitung wurde der strahlenoptische Ansatz verwendet. Dieser Ansatz besagt, dass Lichtwellen durch die Gesetze aus der Geometrischen Optik beschrieben werden können. In dieser Arbeit wird untersucht ob der verwendete Ansatz auch auf die Beschreibung von Funkwellen anwendbar ist. Dieser Ansatz ermöglicht eine gute Darstellung desWellenspektrums aller einfallenden Wellen am Ort des Empfängers sowie die Darstellung der zurückgelegtenWege aller Teilwellen. Es erfolgte eine Kombination des strahlenoptischen Ansatzes mit der Uniform Theory of Diffraction (UTD), um auch Beugungen an Hindernissen untersuchen zu können. Das Simulationsmodell wurde auf ein Real Time Location System (RTLS) angepasst, welches eine Lokalisierung von Personen oder Objekten im Innenbereich von Gebäuden mit einer Präzision von 10 cm ermöglicht. Dies geschieht mittels der Messung von Laufzeitunterschieden ausgesendeter Wellen im Ultra-Breitband (UWB) Bereich. In dieser Arbeit wurde ein Vergleich der Ergebnisse der Simulation mit denen aus einer Messung mit dem Real-Time-Location-System angestellt.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/882803972weber.txt
Fischer, Robert
Benzotrithiophene based small molecules as potential material in organic solar cells. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2016

Benzotrithiophen (BTT) wird auf sein Potenzial als lichtabsorbierendes Material in organischen Solarzellen untersucht. Die spezielle geometrische Form des BTT erlaubt die Gestaltung von linearen Oligomeren als auch von flachen, dreistrahligen, Stern-förmigen Dendrimeren, wobei eine einzigartige molekulare und elektronische Konfiguration erzeugt wird. Nach einer kurzen Einführung in organische Photovoltaik, wird eine Familie aus vier BTT-Derivaten mit substituierten Thienyl, Vinylen und Dicianovinylen Gruppen vorgestellt in asymmetrischen und symmetrischen Geometrien. Ein großer Teil der Untersuchung enthält computergestützte Berechnungen mit DFT und TDDFT. Gleichzeitig wird eine Route zur chemischen Darstellung gesucht. Bei den sternförmigen Molekülen wurde ein Antenneneffekt beobachtet, der im asymmetrischen Fall die Lichtabsorption verbreitert und im symmetrischen Fall verengt, aber verstärkt.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/869862227fisch.txt
Kißling, Christoph
Theoretische Grundlagen der Modellierung memristiver Systeme. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit, 2016

Memristoren (Kurzform von "memory resistor") und memristive Systeme sind Widerstände mit Gedächtnis. Durch ihre völlig neuartigen Eigenschaften sind sie Gegenstand vieler Forschungsgebiete, die von digitalen Speichertechnologien bis zu neuronalen Netzen und Chaos reichen. Diese Arbeit führt in die Theorie dieser Bauelementeklasse ein und liefert ein solides Fundament für weitere Arbeiten. Zuerst werden die ursprünliche und einige moderne Definitionen der Gedächtniselemente gezeigt und verglichen und eine für technisch relevante Memristoren passende Definition vorgeschlagen. Darauf folgt eine Darstellung der generischen Eigenschaften und Erkennungsmerkmale wie der abgeschnürten Hystereseschleife, deren Fläche mit steigender Frequenz abnimmt. Wir besprechen außerdem Signalverhalten, Modellierung und einige interessante Implementierungen wie den Supraleiter-Memristor.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/866089780kissl.txt
Kreismann, Jakob
Eine numerische Studie zu dreidimensionalen optischen Mikrokavitäten. - 110 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

In dieser Masterarbeit werden die Eigenschaften dreidimensionaler optischer Mikrokavitäten am Beispiel der Lima¸con-Kavität untersucht. Die Kavitäten werden dabei als dielektrische Zylinder lima¸con-förmigen Querschnitts mit unterschiedlichen Höhe-zu-Radius-Verhältnissen modelliert. Ziel dieser Arbeit ist es, dabei den Einfluss auf die Resonanzen, Gütefaktoren, Eigenmoden und Fernfeldprofile im Vergleich zum zweidimensionalen Lima¸con zu untersuchen. Die Berechnung der genannten Eigenschaften erfolgt durch numerisches Lösen der Maxwellschen Gleichungen im Zeitbereich. Zu diesem Zweck wird das frei verfügbare FDTD-Simulationssoftwarepaket MEEP benutzt. Als erstes Ergebnis kann man festhalten, dass gewisse Parallelen in der Struktur der zweidimensionalen (2D) und dreidimensionalen (3D) Eigenmoden existieren. Die Vergleichbarkeit hängt dabei vom Verhältnis der Kavitätenhöhe zur Wellenlänge ab. Diese Eigenschaft lässt sich mit Hilfe des Modells des effektiven Brechungsindex quantifizieren. Die Berechnung der Resonanzen für TM-polarisierte Wellen wird zeigen, dass für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse Resonanzen erst bei höheren Frequenzen beginnen im Vergleich zum 2D-Lima¸con. Hier kann wieder das Modell des effektiven Brechungsindex herangezogen werden. Zusätzlich werden Kavitäten mit metallischen Boden- und Deckflächen (Sandwich-Lima¸con) betrachtet. Dort gleicht das Verhalten der TM-polarisierten Resonanzen für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse denen im 2D-Lima¸con. Im Fall des 3D-Lima¸con (ohne metallischen Boden und Deckel) sind die Gütefaktoren für alle betrachteten Höhe-zu-Radius-Verhältnisse gut vergleichbar mit denen des 2D-Lima¸con. Im Fall des Sandwich-Lima¸con ist das am besten für kleine Höhe-zu-Radius-Verhältnisse erfüllt. Die maximalen Gütefaktoren des Sandwich-Lima¸con sind eine Größenordnung höher als die des 3D-Lima¸con. Die Analyse der Fernfeldprofile wird zeigen, dass die vom 2D-Lima¸con bekannte gerichtete Abstrahlung in azimutaler Richtung (in der Querschnittsebene) ebenfalls existiert. Die Fernfeldprofile in polarer Richtung (senkrecht zur Querschnittsebene) lassen sich mit der Beugung am Spalt mit veränderter Spaltbreite beschreiben. Eine wichtige Eigenschaft ist die Abstrahlung schräg zur Resonatorebene. Diese wird für die Idee eines Partikeldetektors genutzt. Ein Scheibe-Lima¸con-Hybrid-System gibt einen Ausblick auf die Kombination von hohen Gütefaktoren und gerichteter Abstrahlung.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/843516348kreis.txt
Fechner, Felix
Lichtausbreitung in Kegelmänteln: Strahlenbahnen, Wellenlösungen und Korrespondenzen. - 82 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit bildete die experimentelle Untersuchung der Lichtausbreitung in den Wänden konisch zulaufender Tuben. Aus den Beobachtungen und Vermutungen der Gruppe um Prof. Dr. Oliver Schmidt und Dr. Libo Ma wurden die zentralen Thesen abgeleitet. Einerseits wurde vermutet, dass Licht in den Wänden inhomogener konisch zulaufender Tuben geschlossene Bahnen ausbildet. Andererseits wurde vermutet, dass die Schwingungsebene des Lichtes, während das Licht die Bahnen durchläuft, der Tangentialebene am Kegelstumpf folgt. Zur Überprüfung der Thesen wurden zwei Verfahren verwendet: die Geometrische Optik und die numerische Analyse auf Grundlage der Maxwell-Gleichungen. Auf die theoretischen Grundlagen beider Gebiete wird eingegangen. Die Geometrische Optik wird erfolgreich eingesetzt, um das Verhalten von Lichtstrahlen auf Kegeloberflächen zu untersuchen. Es kann mit Hilfe einer Geodätengleichung gezeigt werden, dass sich auf homogenen Kegeloberflächen keine geschlossenen Lichtbahnen finden lassen. Den zweiten Zugang zur Überprüfung der aufgestellten Thesen bildete die numerische Analyse mit Hilfe der Software MEEP. MEEP verwendet den Yee-Algorithmus, um die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik zu diskretisieren. Es erlaubt die Implementierung komplizierter Geometrien und die Ausgabe aller elektromagnetischen Größen. Im Sinne eines besseren Verständnisses der gewonnenen Daten werden vorbereitende Simulationen an homogenen und inhomogenen dünnwandigen Hohlzylindern durchgeführt. Außerdem wurden homogene konisch zulaufende Tuben untersucht. Zur Überprüfung der Hypothesen der vorliegenden Arbeit werden Abbildungen erstellt, die die zeitliche Entwicklung der Energiedichte auf Strecken im Inneren der Tubenwände darstellen. Es werden Bahnen gefunden, die zeigen, dass die Energiedichte ausgehend vom Ort der Quelle zunächst zu kleineren Radien wandert. Die Bahn erreicht einen Umkehrpunkt bei einem minimalen Radius. Anschließend wandert die Energiedichte zu größeren Radien und verlässt danach das System. Es wird eine Strahlen-Wellen-Korrespondenz gefunden werden. Es wird ergänzend eine Quantisierungsbedingung aufgestellt. Abschließende Untersuchungen zeigen, dass die Schwingungsebene des elektrischen Feldes der Tangentialebene am Kegel folgt.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/818425377fechn.txt
Kreismann, Jakob
Eine numerische Untersuchung zu Goos-Hänchen-Verschiebung und Fresnel-Filtern an gekrümmten Grenzflächen. - 72 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014

In dieser Bachelorarbeit werden die Goos-Hänchen-Verschiebung und das Fresnel-Filtern aus der Wellendynamik eines Gauß-Strahls bei Reflexion nahe des Grenzwinkels der Totalreflexion an gekrümmten Grenzflächen extrahiert. Als Grenzflächen werden dielektrische Scheiben betrachtet. Es wird dabei zwischen konkaver und konvexer Krümmung unterschieden. Der Einfluss von Brechzahl und Krümmungsradius der Grenzflächen sowie linearer Polarisation des Gauß-Strahls werden untersucht. Ein Vergleich der Effekte an der ebenen Grenzfläche wird durchgeführt. Die Berechnungen für die Wellendynamik erfolgen mit dem FDTD-Simulationsoftwarepaket "MEEP". Es wird gezeigt, dass die Goos-Hänchen-Verschiebung und das Fresnel-Filtern deutlich von Art und Stärke der Krümmung der Grenzflächen abhängen. Darüber hinaus werden diese beiden Effekte stark von p-Polarisation des Gauß-Strahls beeinflusst. Ein Vergleich mit analytischen Ergebnissen bestätigt die Berechnungen.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/777417553kreis.txt
Preiß, Julia
Entwicklung eines Algorithmus zur Skalierung von Strömungsmaschinen zur Optimierung der Luftversorgung von Brennstoffzellen. - 56 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011

In einer Brennstoffzelle wird Energie bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff frei, die zuvor in den Gasen gebunden war und welche nutzbringend beispielsweise für den Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Von besonderer Bedeutung für den Betrieb einer Brennstoffzelle ist die optimale Versorgung mit Sauerstoff. Bei der Anwendung in Fahrzeugen wird Sauerstoff in Form von Umgebungsluft angesaugt und gleichzeitig verdichtet, um eine Steigerung der Brennstoffzellenleistung und -effizienz zu erreichen. Für die Bereitstellung wird ein Kompressor verwendet, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Eine vom Abgas angetriebene Turbine wird zur Entlastung des Motors benutzt. Dabei kann die Öffnung der Leitradschaufeln der Turbine variiert werden, um für verschiedene Lastpunkte den Druck im System einzustellen und damit bestmögliche Betriebsbedingungen für das Brennstoffzellensystem zu gewährleisten. Simulationen einer Luftversorgung für unterschiedliche Brennstoffzellensysteme werden auf Basis von Kennfeldern bereits bestehender Strömungsmaschinen durchgeführt. Dabei ist eine Anpassung von Kompressor und Turbine auf die neue, vom System benötigte Luftmenge erforderlich. Dies wird über die Skalierung der Kennfeldgrößen mittels jeweils eines Faktors realisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Berechung dieser Skalierungsfaktoren und der Öffnung der Turbine entwickelt. Dabei wird zur Bestimmung der Turbinenöffnung eine Interpolation auf Grundlage der Kennfelder durchgeführt. Für die Berechung der Skalierungsfaktoren wurde ein neuer Algorithmus entworfen, der auf den Kennfeldgrenzen und einer Vermeidung der Überschreitung dieser Begrenzungen basiert. Mit dem erstellten Algorithmus konnte eine wesentliche Zeitersparnis im Vergleich zur früheren, manuellen Bestimmung dieser Größen erzielt werden. Zudem sind die Komponentenkennfelder optimal auf das jeweilige Ziel-Brennstoffzellensystem angepasst. Die auf Basis der entwickelten Algorithmen erzeugten Kennfeldbeschreibungen werden nun auch für die Erstellung von Zuliefererspezifikationen herangezogen.


Purle, Stefan
Über die Messbarkeit von Eisreibung mittels eines tragbaren Mikrotribometers. - 49 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem tragbaren Tribometer vorgestellt. Neben dessen Kenndaten soll ermittelt werden, ob es sich für den Messeinsatz im Rahmen des modernen Wintersports eignet. Es werden sowohl Messungen mit hochdichtem Polyethylen (HDPE) als auch mit Stahlkugeln vorgestellt, um eine Verwendung im Rahmen des Skisports bzw. des Bob- und Rodelsports zu verifizieren. Neben den Tribometermessungen sind auch Messungen zum Kontaktverhalten von HDPE sowie deren Aufbau und Durchführung Teil dieser Arbeit. Abschließend wird gezeigt, dass für Belastungen innerhalb des modernen Skisports das Kontaktmodell nach Johnson, Kendall und Roberts eine hinreichend gute Näherung für Kontakte mit HDPE darstellt. Außerdem wird zusammengefasst, für welche Messaufgaben das tragbare Tribometer verwendbare Ergebnisse liefert.


Richter, Tobias
Ripening of one-dimensional nanostructures on insulating surfaces. - 69 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011

Das Anwachsen der Rechenleistung von Computern ist stark mit der fortschreitenden Verkleinerung deren Kernbestandteile (Transistoren und Kabel) verknüpft. Allerdings wird die momentan vorherrschende Siliziumtechnologie an eine Grenze stoßen, die eine weitere Verkleinerung nicht mehr zulässt und damit ein weiteres Ansteigen der Rechenleistung unterbindet. Ein vielversprechender Ansatz um diesen Engpass zu umgehen, ist einzelne Moleküle als aktive Bauelemente zu verwenden und das Konzept molekularer Elektronik auszunutzen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung eines Systems, das eindimensionale Strukturen erzeugt. In einem aktuellen Experiment der Arbeitsgruppe von A. Kühnle an der Universität Mainz wurde ein Materialsystem präsentiert, das eindimensionale Strukturen auf einer nichtleitenden Oberfläche produziert. Dieses System ist ein vielversprechender Startpunkt für die Entwicklung von selbstassemblierten und selbstorganisierten Strukturen, die als Kabel für molekulare Elektronik verwendet werden könnten. Das Wachstum dieser Strukturen weist ein interessantes Reifungsverhalten in der Post-Depositions Phase auf. Ziel dieser Arbeit ist es, die Kernprozesse, verantwortlich für das experimentell beobachtete Verhalten, zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden mehrere Modelle mit steigender Komplexität, der Addition von zusätzliche Prozessen, entwickelt. Die Dynamik wurde mit dem kinetischen Monte Carlo (KMC) Algorithmus simuliert. Die verantwortlichen Prozesse wurden als Dimerbildung und Kantendiffusion identifiziert.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/664701930richt.txt
Fuß, Felix
Selected Green Engineering experiments regarding power correlation and power savings on ASICs and line card systems. - 127 S.
Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011

Diese Diplomarbeit gibt einen Überblick über anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und deren Einsatz auf Linecards aus dem Blickwinkel des Energiebedarfs mit besonderer Beachtung von Green Engineering Aspekten. Die Diplomarbeit ist demnach in drei Hauptpunkte untergliedert. Der erste Abschnitt bildet einen aufeinander aufbauenden Überblick angefangen mit den physikalischen Vorgängen im Silizium bis hin zur Funktionsweise einer Linecard. Dabei werden insbesondere Energiebedarf und Energiedissipation sowie funktionelle Prinzipien näher betrachtet. Der zweite Abschnitt beschreibt an Linecards durchgeführte Experimente zur Messung des Energiebedarfs und deren Korrelation. Der letzte Abschnitt diskutiert und bewertet ausgesuchte Techniken zur Reduzierung des Energiebedarfs.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/646457209fuss.txt