Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 2 Elektromagnetismus
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| Language: | German |
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Berlin [u.a.]
de Gruyter
1999
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| Edition: | 8., völlig neubearb. Aufl. |
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| Item Description: | Titel der 1. - 7. Aufl.: Elektrizität und Magnetismus |
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Inhalt
1 Einleitung: Zugang zum Elektromagnetismus. 1
1.1 Allgemeinbildung als Ausgangspunkt. 1
1.2 Vorgriff* auf die Atomphysik. 5
1.3 Verbindung von Elektrizität und Magnetismus. 7
Kapitel 2—6 Elektromagnetische Wechselwirkung von Ladungen,
Strömen und Feldern. 9
2 Oberflächenladungen und elektrische Felder. 11
2.1 Experimentieren mit Ladungen . 13
2.1.1 Reibungselektrizität. 13
2.1.2 Influenzerscheinungen. 19
2.1.3 Sitz der Ladungen auf einem Leiter. 22
2.1.4 Entladungen durch die Luft. 25
2.1.5 Elektrisiermaschinen. 28
2.2 Elektrische Kraft und Feldstärke. 31
2.2.1 Coulomb-Gesetz. 31
2.2.2 Einheit der Ladung, elektrische Feldkonstante. 36
2.2.3 Elektrische Feldstärke. 38
2.2.4 Sichtbarmachung elektrischer Felder. 41
2.2.5 Gaußsche Formulierung des Coulomb-Gesetzes. 44
2.2.6 Quantitative Erfassung der Influenz. 47
2.3 Potential, Spannung. 51
2.3.1 Potential und Feldstärke. 51
2.3.2 Äquipotentialflächen . 56
2.3.3 Dipole und Dipolschichten, Multipole . 61
2.4 Kapazität. 69
2.4.1 Zweileiter-Systeme als Kondensatoren. 69
2.4.2 Elektrische Feldenergie. 76
2.4.3 Permittivität. 78
2.4.4 Kondensator-Bauformen. 80
2.5 Anwendungsbeispiele. 83
2.5.1 Vermeidung von Aufladungen. 83
2.5.2 Sprüh- und Trennverfahren. 85
2.5.3 Xerographie. 87
3 Leiterströme und magnetische Felder, Magnete. 89
3.1 Von der Elektrostatik zum Galvanismus. 91
3.2 Experimentieren mit Strömen . 95
3.2.1 Elektrischer Strom in Metalldrähten. 95
X
Inhalt
3.2.2 Ohmsches Gesetz, Widerstand. 99
3.2.3 Elektrische Arbeit, Stromwärme. 104
3.2.4 Strom und Spannung in elektrischen Netzwerken. 107
3.2.5 Erde und Masse. 113
3.3 Magnetisches Kraftgesetz. 114
3.3.1 Magnetfeld eines Leiterstroms. 115
3.3.2 Kraft zwischen zwei Leiterströmen . 118
3.3.3 Definition der magnetischen Feldstärke
В
. 121
3.3.4 Magnetisches Moment einer Stromschleife. 124
3.3.5 Zur Deutung magnetischer Feldlinienbilder . 126
3.4 Durch Ströme erzeugte magnetische Felder. 127
3.4.1
Ampère-Gesetz
. 128
3.4.2 Biot-Savart-Gesetz. 131
3.4.3 Magnetisches Vektorpotential, magnetischer Fluß. 132
3.4.4 Spezielle Spulenformen. 134
3.4.5 Magnetische Dipole. 140
3.5 Vergleich der Gesetze für statische elektrische und magnetische Felder. 142
3.6 Magnete. 144
3.6.1 Permanentmagnete. 144
3.6.2 Demonstrationsexperimente mit Permanentmagneten. 147
3.6.3 Magnetische Hilfsfeldstärke
Η
. 151
3.6.4 Hystereseschleife. 153
3.6.5 Abschirmung von Magnetfeldern . 155
3.6.6 Magnetische Kreise. 157
3.7 Drehspul-Meßinstrumente. 166
4 Elektromagnetische Induktion. 173
4.1 Induktionsgesetz. 175
4.1.1 Entdeckung durch
Faraday
. 175
4.1.2 Quantifizierung, Lenzsche Regel. 178
4.1.3 Induktionsexperimente mit bewegten Magneten. 180
4.1.4 Induktionsexperimente mit bewegten Leitern. 181
4.1.5 Allgemeine Formulierung des Induktionsgesetzes. 185
4.1.6 Didaktische Variante. 187
4.2 Induktivität. 189
4.2.1 Selbstinduktion, Definition der Induktivität. 189
4.2.2 Magnetische Feldenergie. 193
4.2.3 Induktive Kopplung. 194
4.2.4 Induktive Messung von Flüssen. 196
4.2.5 Wirbelströme. 201
4.2.6 Spulen als Bauelemente. 204
4.3 Wechselstrom. 207
4.3.1 Definitionen, Erzeugung, Messung . 207
4.3.2 tfLC-Stromkreise. 212
4.3.3 Mehrphasenströme, magnetische Drehfelder. 223
4.3.4 Transformatoren. 227
4.3.5 Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt. 235
Inhalt
XI
4.4 Generatoren und Motoren. 239
4.4.1 Überblick. 239
4.4.2 Gleichstrommaschinen. 240
4.4.3 Drehstrom-Synchronmaschinen. 246
4.4.4 Drehstrom-Asynchronmaschinen. 248
4.4.5 Einphasen-Wechselstrom-Maschinen . 252
4.5 Stromversorgung. 255
4.5.1 Technische Grundlagen. 256
4.5.2 Aufbau des öffentlichen Netzes. 258
4.5.3 Erzeugung und Verbrauch der Sekundärenergie „Strom". 261
4.5.4 Entwicklungsperspektiven. 264
5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen. 267
5.1 Experimentieren mit Hochfrequenz. 270
5.1.1 Schwingkreis, gedämpfte Schwingungen . 270
5.1.2 Ungedämpfte Schwingungen. 275
5.1.3 Induktiver Widerstand, Skineffekt. 283
5.1.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz. 285
5.1.5 Gekoppelte Schwingkreise. 294
5.2 Elektromagnetische Drahtwellen. 298
5.2.1
Lecher-
Leitung. 298
5.2.2 Theorie der Drahtwellen. 301
5.2.3 Verschiedene Doppelleitungen. 305
5.3 Elektromagnetische Raumwellen. 308
5.3.1 Messung der kritischen Geschwindigkeit. 308
5.3.2 Theorie von James
Clerk
Maxwell. 310
5.3.3 Experimente von Heinrich Hertz. 315
5.3.4 Strahlung des Hertzschen Dipols . 320
5.3.5 Elektromagnetisches Spektrum. 323
5.4 Experimentieren mit Mikrowellen. 325
5.4.1 Antennen. 325
5.4.2 Wellenausbreitung. 331
5.4.3 Hohlleiter. 336
5.5 Anwendungsbeispiele. 344
5.5.1 Rundfunk. 344
5.5.2 Radioastronomie. 357
6 Licht. 367
6.1 Experimentieren mit Licht. 370
6.1.1 Meßgrößen, Standards. 370
6.1.2 Strahlenoptik. 379
6.1.3 Wellenoptik. 397
6.1.4 Polarisationsoptik. 415
6.2 Lichtgeschwindigkeit . 428
6.2.1 Messungen der Lichtgeschwindigkeit. 428
6.2.2 Lichtgeschwindigkeit in bewegten Medien. 432
6.2.3 Michelson-Morley-Experiment. 433
6.2.4 Lösung des Ätherproblems. 436
XII Inhalt
6.3 Relativistische Optik. 437
6.3.1 Lorentz-Transformation. 437
6.3.2 Aberration, Doppler-Effekt. 440
6.3.3 Transformation der elektromagnetischen Felder. 441
6.3.4 Ladungen mit relativistischen Geschwindigkeiten. 442
Kapitel 7—14 Elektromagnetische Effekte in atomarer Materie. 449
7 Einführung in die Atomphysik. 451
7.1 Anschaulicher Atomismus . 453
7.1.1 Akzeptanz der Atomvorstellung. 453
7.1.2 Ionen, freie Elektronen. 454
7.1.3 Elektronen in Metallen. 457
7.1.4 Offene Fragen. 459
7.2 Welle-Teilchen-Dualismus. 460
7.2.1 Teilchencharakter des Lichtes . 460
7.2.2 Wellencharakter der Elektronen. 462
7.2.3 Unbestimmtheitsrelation. 465
7.3 Struktur der Atome. 468
7.3.1 Rutherford-Bohrsches Atommodell. 468
7.3.2 Drehimpuls, Richtungsquantelung, Gyromagnetismus. 470
7.3.3 Quantenmechanische Beschreibung des WasserstofTatoms. 474
7.3.4 Aufbau der Mehrelektron-Atome. 478
7.3.5 Orbitale, chemisches Verhalten. 482
7.4 Quantenstatistik. 486
7.4.1 Statistische Behandlung identischer Elemente. 487
7.4.2 Photonen der thermischen Strahlung. 489
7.4.3 Bose-Einstein-Kondensation. 493
7.4.4 Leitungselektronen der Metalle . 494
8 Elektrische Effekte in Metallen. 497
8.1 Leitungselektronen. 499
8.1.1 Kinetische Theorie. 499
8.1.2 Hall-Effekt. 502
8.1.3 Rauschen. 504
8.2 Grenzfläche Metall/Vakuum. 507
8.2.1 Austrittsarbeit. 507
8.2.2 Elektronen-Emissionsprozesse. 511
8.3 Grenzfläche Metall/Metall. 517
8.3.1 Kontaktspannung. 517
8.3.2 Thermoelektrizität. 519
8.3.3 Übergangswiderstand. 527
8.4 Supraleitung. 531
8.4.1 Grundlagen. 531
8.4.2 Quanteneffekte. 536
8.4.3 Anwendungen. 541
Inhalt XIII
9 Elektrische Effekte in Halbleitern. 547
9.1 Ladungstransport-Prozesse, Hall-EfTekt. 548
9.2 Bändermodell . 550
9.2.1 Grundbegriffe. 550
9.2.2 Leitfähigkeit. 553
9.2.3 Zustands- und Ladungsträgerdichten. 557
9.2.4 Bänder im /c-Raum und im Ortsraum. 559
9.2.5 pn-Übergang. 562
9.2.6 Metall/Halbleiter-Übergang. 566
9.3 Halbleiter-Bauelemente. 568
9.3.1 Dioden, Thyristoren. 568
9.3.2 Transistoren. 575
9.3.3 Operationsverstärker. 583
9.3.4 Bauelemente der Digitalelektronik. 587
9.4 Photohalbleiter. 595
9.4.1 Photowiderstände. 595
9.4.2 Photodioden, Photoelemente. 597
9.4.3 Leuchtdioden. 602
9.4.4 Leuchtstoffe, Elektrolumineszenz. 603
9.5 Halbleiter-Technologie . 605
9.5.1 Präparation, Dotierung, Strukturierung. 605
9.5.2 Integrierte Schaltungen, Mikroelektronik. 608
10 Gasentladungen, Plasmen. 611
10.1 Ladungstransport ohne Gasverstärkung. 613
10.1.1 Ionisation und Rekombination. 613
10.1.2 Strom-Spannungs-Charakteristik . 616
10.1.3 Anwendungen im Strahlenschutz. 617
10.1.4 Ionen als Kondensationskeime. 620
10.2 Ladungstransport mit Gasverstärkung. 622
10.2.1 Townsend-Lawinen. 622
10.2.2 Ionisationskammern mit Gasverstärkung. 624
10.2.3 Proportionszähler, Drahtkammern . 624
10.3 Selbständige Entladungen. 627
10.3.1 Zündbedingung. 627
10.3.2 Zünden und Löschen im Geiger-Zähler. 629
10.3.3 Korona- und Funkenentladungen in Luft. 630
10.3.4 Gewitter. 635
10.3.5 Glimmentladungen . 644
10.3.6 Lichtbögen. 651
10.4 Plasmen. 654
\ 1 Geladene Teilchen im Vakuum. 657
11.1 Techniken. 658
11.1.1 Vakuum. 658
11.1.2 Spannungsversorgung. 660
XIV Inhalt
11.1.3 Abschirmung. 662
11.1.4 Elektronenquellen. 663
11.1.5 Ionenquellen. 666
11.1.6 Elektronen- und Ionennachweiß. 669
11.1.7 Bewegung geladener Teilchen in Feldern. 676
11.1.8 Elektronenoptik. 678
11.2 Elektronenröhren. 688
11.2.1 Dioden, Röntgenröhren. 688
11.2.2 Verstärkerröhren. 690
H.2.3 Elektronenstrahlröhren. 694
11.2.4 Lichtgesteuerte Röhren. 697
11.3 Geräte, Großgeräte. 700
11.3.1 Strahlsysteme zur Materialbearbeitung. 700
11.3.2 Massenspektrometer. 703
11.3.3 Teilchenkäfige. 706
11.3.4 Elektronenmikroskope. 709
11.3.5 Teilchenbeschleuniger. 712
12 Elektrochemie. 721
12.1 Elektrolyse. 722
12.1.1 Grundbegriffe und Beispiele. 722
12.1.2 Faraday-Gesetz . 730
12.1.3 Dissoziation, Leitfähigkeit. 731
12.1.4 Ladungstransport. 735
12.1.5 Starke
Elektrolyte
. 742
12.2 Galvanische Elemente. 744
12.2.1 Überblick. 744
12.2.2 Daniell-Element. 745
12.2.3 Konzentrationselemente. 747
12.2.4 Spannungsreihe der Metalle. 748
12.3 Elektrodenprozesse. 751
12.3.1 Prinzip der Sekundärelemente. 751
12.3.2
Polarisations-
und Überspannung. 753
12.4 Technische Anwendungen. 755
12.4.1 Einweg-Batterien und Akkumulatoren. 755
12.4.2 Brennstoffzellen. 759
12.4.3 Elektrolytische Verfahren. 762
12.4.4 Korrosionsschutz . 764
13 Elektrisches Verhalten von Isolatoren. 767
13.1 Oberflächenladungen durch Transfer. 770
13.1.1 Reibungselektrizität. 770
13.1.2 Strömungselektrizität. 773
13.2 Oberflächenladungen durch Polarisation. 775
13.2.1 Isolatoren im elektrischen Feld. 775
13.2.2 Polarisation, fiktives ¿»-Feld. 776
13.2.3 Demonstrationsexperimente. 778
Inhalt
XV
13.2.4 Dielektrische Stoffe (im engeren Sinn). 781
13.2.5 Parelektnsche Stoffe. 783
13.2.6 Elektro-rheologische Flüssigkeiten. 786
13.3 Elektrische Kristalle. 786
13.3.1 Überblick. 787
13.3.2 Piezoelektrizität. 791
13.3.3 Ferroelektrizität. 796
13.3.4 Technische Anwendungen. 800
14 Magnetismus. 805
14.1 Dia- und Paramagnetismus. 807
14.1.1 Definitionen. 807
14.1.2 Messung der Suszeptibilität. 807
14.1.3 Diamagnetische Stoffe. 810
14.1.4 Paramagnetische Stoffe. 812
14.2 Ferromagnetismus. 814
14.2.1 Ferromagnetische Meßgrößen. 815
14.2.2 Gyromagnetische Experimente. 819
14.2.3 Entstehung der spontanen Magnetisierung. 822
14.2.4 Ummagnetisierungsprozesse. 824
14.2.5 Magnetostriktion. 834
14.2.6
Antiferro-
und Ferrimagnetismus. 836
14.2.7 Anwendung von Ferriten. 841
14.3 Magnetische Flüssigkeiten. 842
14.4 Magnetfeld der Erde. 846
14.4.1 Feld auf der Erdoberfläche. 846
14.4.2 Magnetosphäre der Erde. 851
Kapitel 15-17 Anhänge. 855
15 Mathematische Hilfsmittel . 855
15.1 Vorbemerkungen. 855
15.2 Algebra mit physikalischen Größen. 857
15.3 Infinitesimalrechnung. 864
15.4
Vektoranalysis
. 867
15.5 Komplexe Zahlen. 872
15.6 Schwingungsgleichung. 875
15.7 Fourier-Reihen und -Integrale. 880
15.8 Schaltalgebra. 888
16 Gefahren im Umgang mit Elektrizität. 891
16.1 Wirkungen auf den menschlichen Körper. 891
16.2 Schutzmaßnahmen. 896
16.2.1 Netzanschluß und Erdung. 896
16.2.2 Sicherungen, Schutzschalter. 899
16.2.3 Erkennung von Defekten. 902
XVI Inhalt
16.3 Verhaltensregeln. 902
16.3.1 Umgang mit Haushaltselektrizität. 902
16.3.2 Zusätzliche Regeln für das Labor. 905
16.4 Erste Hilfe. 906
16.4.1 Sofortmaßnahmen. 906
16.4.2 Atemspende und Herz-Lungen-Wiederbelebung. 907
17 Hinweise und Tabellen. 911
17.1 Literaturhinweise . 911
17.1.1 Ergänzende Literatur. 911
17.1.2 Quellen, zitierte Publikationen. 912
17.2 Einheiten. 916
17.2.1 SI-Einheiten. 916
17.2.2 Ergänzungseinheiten. 918
17.2.3 Anmerkungen zu einigen anderen Einheiten. 919
17.3 Naturkonstanten. 921
17.4 Chemische Elemente. 924
17.5 Schaltzeichen der Elektrotechnik. 925
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