Experimentalphysik: 2 Elektrizität und Optik : mit 17 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 143 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen
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| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2004
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| Edition: | 3., überarb. und erw. Aufl. |
| Series: | Springer-Lehrbuch
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
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Titel: Bd. 2,3. Experimentalphysik. Elektrizität und Optik
Autor: Demtröder, Wolfgang
Jahr: 2004
Inhaltsverzeichnis
Elektrostatik
1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz 1
1.2 Das elektrische Feld 5
1.2.1 Elektrische Feldstarke 5
1.2.2 Elektrischer Fluss;
Ladungen als Quellen des elektrischen Feldes 7
1.3 Elektrostatisches Potential 8
1.3.1 Potential und Spannung 9
1.3.2 Potentialgleichung 10
1.3.3 Aquipotentialflachen 11
1.3.4 Spezielle Ladungsverteilungen 11
1.4 Multipole 13
1.4.1 Der elektrische Dipol 14
1.4.2 Der elektrische Quadrupol 16
1.4.3 Multipolentwicklung 16
1.5 Leiter im elektrischen Feld 18
1.5.1 Influenz 18
1.5.2 Kondensatoren 19
1.6 Die Energie des elektrischen Feldes 22
1.7 Dielektrika im elektrischen Feld 23
1.7.1 Dielektrische Polarisation 24
1.7.2 Polarisationsladungen 25
1.7.3 Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes
in Materie 26
1.7.4 Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum 29
1.8 Die atomaren Grundlagen von Ladungen
und elektrischen Momenten 30
1.8.1 Der Millikan-Versuch 30
1.8.2 Ablenkung von Elektronen und Ionen
in elektrischen Feldern 31
1.8.3 Molekulare Dipolmomente 31
1.9 Elektrostatik in Natur und Technik 35
1.9.1 Reibungselektrizitat und Kontaktpotential 35
1.9.2 Das elektrische Feld der Erde
und ihrer Atmosphare 35
1.9.3 Die Entstehung von Gewittern 36
1.9.4 Elektrostatische Staubfilter 37
XII Inhaltsverzeichnis
1.9.5 Elektrostatische Farbbeschichtung 37
1.9.6 Elektrostatische Kopierer und Drucker 38
Zusammenfassung
Ubungsaufgaben
2.1 Strom als Ladungstransport 43
2.2 Elektrischer Widerstand und ohmsches Gesetz 43
2.2.1 Driftgeschwindigkeit und Stromdichte 45
2.2.2 Das ohmsche Gesetz 47
2.2.3 Beispiele fur die Anwendung des ohmschen Gesetzes 48
2.2.4 Temperaturabhangigkeit des elektrischen Widerstandes
fester Korper; Supraleitung 50
2.3 Stromleistung und joulesche Warme 54
2.4 Netzwcrke; kirchhoffsche Regeln 55
2.4.1 Reihenschaltung von Widerstfinden 56
2.4.2 Parallelschaltung von Widerstiinden 56
2.4.3 Wheatstonesche Briickenschaltung 56
2.5 Messverfahren fur elektrische Strome 57
2.5.1 Strommessgerate 57
2.5.2 Schaltung von Amperemetern 58
2.5.3 Strommessgerate als Voltmeter 59
2.6 Ioncnleitung in Fltissigkeiten 59
2.7 Stromtransport in Gasen; Gasentladungen 61
2.7.1 Ladungstriigerkonzentration 61
2.7.2 Erzeugungsmechanismen fur Ladungstrager 62
2.7.3 Strom-Spannungs-Kennlinie 63
2.7.4 Mechanismus von Gasentladungen 64
2.7.5 Verschiedcne Typen von Gasentladungen 67
2.8 Stromquellen 68
2.8.1 Innenwiderstand einer Stromquelle 69
2.8.2 Galvanische Elemcnte 69
2.8.3 Akkumulatoren 71
2.8.4 Verschiedene Typen von Batterien 72
2.8.5 Chemische Brennstoffzellen 73
2.9 Thermische Stromquellen 74
2.9.1 Kontaktpotential 74
2.9.2 Dcr Scebeck-Effekt 75
2.9.3 Thermoelektrische Spannung 75
2.9.4 Peltier-Effekt 77
Zusammenfassung 73
Ubungsaufgaben 73
3. Statischc Magnetfelder
3.1 Permancntmagnete; Polstarke gj
3.2 Magnetfeldcr stationiirer Strome 83
3.2.1 Magnetischer Kraftfluss und rnagnetische Spannung 84
Inhaltsverzeichnis XIII
3.2.2 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters 85
3.2.3 Magnetfeld im Inneren einer lang gestreckten Spule 86
3.2.4 Das Vektorpotential 86
3.2.5 Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung;
Biot-Savart-Gesetz 87
3.2.6 Beispiele zur Berechnung von magnetischen Feldern
spezieller Stromanordnungen 88
3.3 Kriifte aufbewegte Ladungen im Magnetfeld 92
3.3.1 Krafte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld 93
3.3.2 Krafte zwischen zwei parallelen Stromleitern 94
3.3.3 Experimented Demonstration der Lorentzkraft 94
3.3.4 Elektronen- und Ionenoptik mit Magnetfeldern 95
3.3.5 Hall-Effekt 97
3.3.6 Das barlowsche Rad zur Demonstration
der „Elektronenreibung" in Metallen 98
3.4 Elektromagnetisches Feld und Relativitatsprinzip 98
3.4.1 Das elektrische Feld einer bewegten Ladung 99
3.4.2 Zusammenhang zwischen elektrischem
und magnetischem Feld 101
3.4.3 Relativistische Transformation von Ladungsdichte
und Strom 102
3.4.4 Transformationsgleichungen
fur das elektromagnetische Feld 104
3.5 Materie im Magnetfeld 105
3.5.1 Magnetische Dipole 105
3.5.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilitat 107
3.5.3 Diamagnetismus 108
3.5.4 Paramagnetisms 110
3.5.5 Ferromagnetismus 110
3.5.6 Antiferro-, Ferrimagnete und Ferrite 113
3.5.7 Feldgleichungen in Materie 114
3.5.8 Elektromagnete 115
3.6 Das Magnetfeld der Erde 115
Zusammenfassung 118
Ubungsaufgaben 119
4. Zeitlich veranderliche Felder
4.1 Faradaysches Induktionsgesetz 121
4.2 Lenzsche Regel 124
4.2.1 Durch Induktion angefachte Bewegung 125
4.2.2 Elektromagnetische Schleuder 125
4.2.3 Magnetische Levitation 125
4.2.4 Wirbelstrtime 126
4.3 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion 126
4.3.1 Selbstinduktion 126
4.3.2 Gegenseitige Induktion 129
4.4 Die Energie des magnetischen Feldes 131
XIV
Inhaltsverzeichnis
132
4 5 Der Verschiebungsstrom
4.6 Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale 134
Zusammenfassung
Ubungsaufgaben
5. Elektrotechnische Anwendungen
5.1 Elektrische Generatoren und Motoren 139
5.1.1 Gleichstrommaschinen I44
5.1.2 Wechselstromgeneratoren I44
5.2 Wechselstrom
5.3 Mehrphasenstrom; Drehstrom 146
5.4 Wechselstromkreise mit komplexen Widerstiinden;
Zeigerdiagramme 149
5.4.1 Wechselstromkreis mit Tnduktivitiit 149
5.4.2 Wechselstromkreis mit Kapazitat 149
5.4.3 Allgemeiner Fall 150
5.5 Lineare Netzwerke; Hoch- und Tiefpasse; Frequenzfilter 151
5.5.1 Hochpass 152
5.5.2 Tiefpass 153
5.5.3 Frequenzfilter 153
5.6 Transformatoren 154
5.6.1 Unbelasteter Transformator 155
5.6.2 Belasteter Transformator 156
5.6.3 Anwendungsbeispiele 157
5.7 Impedanz-Anpassung bei Wechselstromkreisen 158
5.8 Gleichrichtung 159
5.8.1 Einweggleichrichtung 159
5.8.2 Zweiweggleichrichtung 160
5.8.3 Briickenschaltung 160
5.8.4 Kaskadenschaltung 161
5.9 Elektronenrohren 162
5.9.1 Vakuum-Dioden 162
5.9.2 Triode 163
Zusammenfassung 164
Ubungsaufgaben 164
6. Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung
elektromagnetischer Wellen ¦lUIUfiiUHnHHMH
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Der elektromagnetische Schwingkreis 167
6.1.1 Gediimpfte elektromagnetische Schwingungen 168
6.1.2 Erzwungene Schwingungen 169
Gekoppelte Schwingkreise 17Q
Erzeugung ungediimpfter Schwingungen 172
Offcne Schwingkreise; hertzscher Dipol 174
6.4.1 Experimentelle Realisierung eines Senders 175
6.4.2 Das elektromagnetische Feld des schwingenden Dipols . 176
Die Abstrahlung des schwingenden Dipols lgl
Inhaltsverzeichnis XV
6.5.1 Die abgestrahlte Leistung 181
6.5.2 Strahlungsdampfung 182
6.5.3 Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung 183
6.5.4 Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung 184
Zusammenfassung 186
Ubungsaufgaben 187
7. Elektromagnetische Wellen im Vakuum
7.1 Die Wellengleichung 189
7.2 Ebene elektrische Wellen 190
7.3 Periodische Wellen 191
7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen 192
7.4.1 Linear polarisierte Wellen 192
7.4.2 Zirkular polarisierte Wellen 192
7.4.3 Elliptisch polarisierte Wellen 193
7.4.4 Unpolarisierte Wellen 193
7.5 Das Magnetfeld elektromagnetischer Wellen 193
7.6 Energie- und Impulstransport durch elektromagnetische Wellen . 194
7.7 Messung der Lichtgeschwindigkeit 198
7.7.1 Die astronomische Methode von Ole R0mer 198
7.7.2 Die Zahnradmethode von Fizeau 198
7.7.3 Phasenmethode 199
7.7.4 Bestimmung von c aus der Messung von Frequenz
und Wellenlange 199
7.8 Stehende elektromagnetische Wellen 200
7.8.1 Eindimensionale stehende Wellen 200
7.8.2 Dreidimensionale stehende Wellen;
Hohlraumresonatoren 201
7.9 Wellen in Wellenleitern und Kabeln 203
7.9.1 Wellen zwischen zwei planparallelen leitenden Platten . 203
7.9.2 Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt 205
7.9.3 Drahtwellen; Lecherleitung; Koaxialkabel 209
7.9.4 Beispiele fiir Wellenleiter 211
7.10 Das elektromagnetischeFrequenzspektrum 211
Zusammenfassung 213
Ubungsaufgaben 214
8. Elektromagnetische Wellen in Materie
8.1 Brechungsindex 217
8.1.1 Makroskopische Beschreibung 218
8.1.2 Mikroskopisches Modell 218
8.2 Absorption und Dispersion 221
8.3 Wellengleichung fiir elektromagnetische Wellen in Materie 224
8.3.1 Wellen in nichtleitenden Medien 224
8.3.2 Wellen in leitenden Medien 226
8.3.3 Die elektromagnetische Energie von Wellen in Medien . 228
8.4 Wellen an Grenzflachen zwischen zwei Medien 228
XVI
Inhaltsverzeichnis
8.4.1 Randbedingungen fiir elektrische
und magnetische Feldstiirke 229
8.4.2 Reflexions-und Brechungsgesetz 229
8.4.3 Amplitude und Polarisation von reflektierten
und gebrochenen Wellen 22 *
8.4.4 Reflexions- und Transmissionsvermogen
einer Grenzflache 222
8.4.5 Brewsterwinkel 2^3
8.4.6 Totalreflexion 2^4
8.4.7 Anderung der Polarisation bei schragem Lichteinfall 235
8.4.8 Phasenanderung bei der Reflexion 236
8.4.9 Reflexion an Metalloberfliichen 237
8.5 Lichtausbreitung in nichtisotropen Medien;
Doppelbrechung 239
8.5.1 Ausbreitung von Lichtwellen
in anisotropen Medien 240
8.5.2 Brechungsindex-Ellipsoid 241
8.5.3 Doppelbrechung 242
8.6 Erzeugung und Anwendung von polarisiertem Licht 244
8.6.1 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
durch Reflexion 244
8.6.2 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
beim Durchgang durch dichroitische Kristalle 245
8.6.3 Doppelbrechende Polarisatoren 245
8.6.4 Polarisationsdreher 247
8.6.5 Optische Aktivitat 248
8.6.6 Spannungsdoppelbrechung 249
8.7 Nichtlineare Optik 250
8.7.1 Optische Frequenzverdopplung 251
8.7.2 Phasenanpassung 251
8.7.3 Optische Frequenzmischung 253
Zusammcnfassung 254
Ubungsaufgaben 255
Geometrischc Optik
9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik 258
9.2 Die optische Abbildung 259
9.3 Hohlspiegel 260
9.4 Prismen 264
9.5 Linsen 265
9.5.1 Brechung an einer gekriimmten Flache 265
9.5.2 Dunne Linsen 267
9.5.3 Dicke Linsen 269
9.5.4 Linsensysteme 271
9.5.5 Zoom-Linsensysteme 272
9.5.6 Linsenfehler 273
9.5.7 Die aplanatische Abbildung 281
Inhaltsverzeichnis XVII
9.5.8 Aspharische Linsen 282
9.6 Matrixmethoden der geometrischen Optik 282
9.6.1 Die Translationsmatrix 283
9.6.2 Die Brechungsmatrix 283
9.6.3 Die Reflexionsmatrix 284
9.6.4 Transformationsmatrix einer Linse 284
9.6.5 Abbildungsmatrix 285
9.6.6 Matrizen von Linsensystemen 285
9.6.7 Jones-Vektoren 286
9.7 Geometrische Optik der Erdatmosphare 288
9.7.1 Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphare 288
9.7.2 Scheinbare GroBe des aufgehenden Mondes 289
9.7.3 Fata Morgana 290
9.7.4 Regenbogen 291
Zusammenfassung 292
Ubungsaufgaben 293
10. Interferenz, Beugung und Streuung
10.1 Zeitliche und raumliche Koharenz 295
10.2 Erzeugung und Uberlagerung koharenter Wellen 297
10.3 Experimentelle Realisierung der Zweistrahl-Interferenz 298
10.3.1 Fresnelscher Spiegelversuch 298
10.3.2 Youngscher Doppelspaltversuch 299
10.3.3 Interferenz an einer planparallelen Platte 300
10.3.4 Michelson-Interferometer 301
10.3.5 Das Michelson-Morley-Experiment 303
10.3.6 Sagnac-lnterferometer 306
10.3.7 Mach-Zehnder Interferometer 307
10.4 Vielstrahl-Interferenz 307
10.4.1 Fabry-Perot-Interferometer 310
10.4.2 Dielektrische Spiegel 313
10.4.3 Antireflexschicht 314
10.5 Beugung 315
10.5.1 Beugung als Interferenzphanomen 315
10.5.2 Beugung am Spalt 317
10.5.3 Beugungsgitter 319
10.6 Fraunhofer-und Fresnel-Beugung 322
10.6.1 Fresnelsche Zonen 322
10.6.2 Fresnelsche Zonenplatte 325
10.7 Allgemeine Behandlung der Beugung 326
10.7.1 Das Beugungsintegral 326
10.7.2 Fresnel- und Fraunhofer-Beugung an einem Spalt 328
10.7.3 Fresnel-Beugung an einer Kante 329
10.7.4 Fresnel-Beugung an einer kreisformigen Offnung 329
10.7.5 Babinetsches Theorem 330
10.8 Fourierdarstellung der Beugung 331
10.8.1 Fourier-Transformation 331
XVIII Inhaltsverzeichnis
10.8.2 Anwcndung auf Beugungsprobleme 332
10.9 Lichtstreuung
10.9.1 Koharente und inkoharente Streuung 334
10.9.2 Streuquerschnitte 335
10.9.3 Streuung an Mikropartikeln; Mie-Streuung 336
10.10 Atmosphiiren-Optik 337
10.10.1 Lichtstreuung in unserer Atmosphare 337
10.10.2 Halo-Erscheinungen 339
10.10.3 Aureole um den Mond 339
Zusammenfassung 340
Ubungsaufgaben 341
11. Optische Instrumente rrr-Tmmrft
11.1 Das Auge 343
11.1.1 Aufbau des Auges 343
11.1.2 Kurz- und Weitsichtigkeit 345
11.1.3 Raumliche Auflosung und Empfindlichkeit des Auges . 345
11.2 VergroBernde optische Instrumente 346
11.2.1 DieLupe 347
11.2.2 Das Mikroskop 348
11.2.3 Das Fernrohr 350
11.3 Die Rolle der Beugung bei optischen Instrumenten 351
11.3.1 Auflosungsvermogen des Fernrohrs 351
11.3.2 Auflosungsvermogen des Auges 353
11.3.3 Auflosungsvermogen des Mikroskops 353
11.3.4 Abbesche Theorie der Abbildung 354
11.4 Die Lichtstiirke optischer Instrumente 356
11.5 Spektrographen und Monochromatoren 357
11.5.1 Prismenspektrographen 358
11.5.2 Gittermonochromator 359
11.5.3 Das spektrale Auflosungsvermogen
von Spektrographen 359
11.5.4 Ein allgemeiner Ausdruck
fur das spektrale Auflosungsvermogen 362
Zusammenfassung 364
Ubungsaufgaben 365
12. Neue Techniken in der Optik
12.1 Konfokale Mikroskopie 367
12.2 Optische Nahfeldmikroskopie 369
12.3 Aktive und adaptive Optik 370
12.3.1 Aktive Optik 370
12.3.2 Adaptive Optik 37 j
12.4 Holographie 373
12.4.1 Aufnahme eines Hologramms 373
12.4.2 Die Rekonstruktion des Wellenfeldes 375
12.4.3 WeiBlichtholographie 375
Inhaltsverzeichnis XIX
12.4.4 Holographische Interferometrie 377
12.4.5 Anwendungen der Holographie 378
12.5 Fourieroptik 379
12.5.1 Die Linse als Fouriertransformator 379
12.5.2 Optische Filterung 382
12.5.3 Optische Mustererkennung 384
12.6 Mikrooptik 384
12.6.1 Diffraktive Optik 384
12.6.2 Fresnel-Linse und Linsenarrays 386
12.6.3 Herstellung diffraktiver Optik 388
12.6.4 Refraktive Mikrooptik 388
12.7 Optische Wellenleiter und integrierte Optik 389
12.7.1 Lichtausbreitung in optischen Wellenleitern 389
12.7.2 Lichtmodulation 391
12.7.3 Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern 391
12.7.4 Integrierte optische Elemente 393
12.8 Optische Lichtleitfasern 393
12.8.1 Lichtausbreitung in optischen Lichtleiterfasern 394
12.8.2 Absorption in optischen Fascrn 395
12.8.3 Pulsausbreitung in Fasern 396
12.8.4 Nichtlineare Pulsausbreitung; Solitonen 397
12.9 Optische Nachrichteniibertragung 398
Zusammenfassung 400
Ubungsaufgaben 401
Lbsungen der Ubungsaufgaben 403
Farbtafeln 459
Literaturverzeichnis 467
Sachwortverzeichnis 473 |
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