Physik: Einführungskurs für Studierende der Naturwissenschaften und Elektrotechnik 2 Elektrodynamik und Spezielle Relativitätstheorie
Gespeichert in:
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2008
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| Ausgabe: | 7., aktualisierte Aufl. |
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| Beschreibung: | XVI, 314 S. Ill., graph. Darst. |
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
IX
Tabellenverzeichnis XIV
Vorwort
XV
1 Einführung 1
1.1 Kräfte zwischen rahenden Ladungen: Elektrostatik. 1
1.2 Kräfte zwischen bewegten Ladungen: Magnetische Kräfte . . 8
1.3 Das elektromagnetische Feld. 16
Literaturhinweise zu Kapitel 1. 17
2 Grundlagen der Elektrostatik 19
2.1 Die Elementarladung. 19
2.2 Das Coulombsche Gesetz. 22
2.3 Das elektrische Feld. 25
2.4 Das elektrische Potential. 27
2.5 Das elektrische Feld als Gradient des Potentials. 31
2.6 Der Gaußsche Satz der Elektrostatik. 40
Literaturhinweise zu Kapitel 2. 45
3 Verschiedene Anwendungen der Gesetze der Elektrostatik 47
3.1 Gleichgewicht im elektrostatischen Feld. 47
3.2 Das elektrostatische Feld einer ebenen Ladungsschicht . 48
3.3 Das elektrische Feld eines Plattenkondensators. 50
3.4 Unendlich langer, geladener Draht und Koaxialkabel. 53
3.5 Das elektrische Feld einer homogen geladenen Kugel. 56
3.6 Leiter in einem statischen elektrischen Feld. 58
3.7 Spitzen in starken elektrischen Feldern. 60
3.8 Das Rastertunnelmikroskop . 63
3.9 Der Faradaysche Käfig. 64
3.10 Influenz. 66
3.11 Das elektrische Feld zwischen geladenen Leitern. 69
3.12 Die Energie des elektrischen Feldes. 71
3.13 Die Abschirmung elektrischer Potentiale in leitenden Medien 76
Literaturhinweise zu Kapitel 3. 81
VI
Inhaltsverzeichnis
4 Isolatoren im elektrischen Feld 83
4.1 Die Gleichungen der Elektrostatik in einem Dielektrikum . . . 83
4.2 Die Polarisierbarkeit von Atomen in elektrischen
Wechselfeldern. 89
4.3 Die Dielektrizitätskonstante eines Plasmas. 91
4.4 Die Orientierangspolarisation . 93
4.5 Die Dielektrizitätskonstante eines dichten Mediums. 98
4.6 Elektrische Polarisation in festen Körpern. 103
Literaturhinweise zu Kapitel 4. 106
5 Der elektrische Strom 107
5.1 Stromdichte, Strom und Ladungserhaltung . 107
5.2 Elektrische Leitfähigkeit und das Ohmsche Gesetz. 109
5.3 Mikroskopisches Modell für das Ohmsche Gesetz. HO
5.4 Elektronenleitung in festen Körpern. 112
5.5 Ionenleitung in Elektrolytlösungen. 116
5.6 Die elektrische Leistung eines Stromes in einem Widerstand . 122
5.7 Elektromotorische Kraft. 123
5.8 Austrittsarbeit, Kontaktspannung und Thermospannung . . . . 126
5.9 Stromkreise und Stromverzweigungen (Kirchhoffsehe Regeln) 131
Literaturhinweise zu Kapitel 5. 134
6 Das magnetische Feld 135
6.1 Das
Ampèresche
Gesetz. 137
6.2 Das Biot-Savartsche Gesetz . 143
6.3 Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen
Feldern. 147
Literaturhinweise zu Kapitel 6. 154
7 Die Bewegung von geladenen Teilchen im magnetischen
Feld 157
7.1 Die magnetische Kraft auf einen stromführenden Draht . 157
7.2 Der Hall-Effekt. 158
7.3 Der magnetohydrodynamische Generator (MHD-Generator) . 160
7.4 Bewegte metallische Leiter (Generatorprinzip). 161
7.5 Kraftwirkungen auf einen magnetischen Dipol . 163
7.6 Bahnen freier Ladungen im Magnetfeld. 166
7.7 Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld der Erde. 170
Literaturhinweise zu Kapitel 7. 172
8 Induktionserscheinungen 173
8.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz. 173
8.2 Die Lenzsche Regel. 174
8.3 Beispiele zum Induktionsgesetz. 175
8.4 Die Selbstinduktion. 182
Inhaltsverzeichnis
VII
8.5 Die Energie des magnetischen Feldes. 187
8.6 Der elektrische Schwingkreis. 189
8.7 Erzwungene elektrische Schwingungen. 192
8.8 Wechselstromleistung . 194
Literaturhinweise zu Kapitel 8. 198
9 Materie im Magnetfeld 199
9.1 Die Magnetisierung der Materie. 200
9.2 Die Feldgleichungen der Magnetostatik in Materie. 210
9.3 Diamagnetisches Verhalten von Supraleitern. 212
Literaturhinweise zu Kapitel 9. 215
10 Elektromagnetische Wellen 217
10.1 Erweiterung des
Ampèreschen
Gesetzes für zeitlich
veränderliche Felder: der Verschiebungsstrom. 217
10.2 Die Maxwellschen Gleichungen. 219
10.3 Die Wellenausbreitung im Vakuum . 221
10.4 Die Energiedichte einer elektromagnetischen Welle. 227
10.5 Elektromagnetische Wellen im Dielektrikum . 228
10.6 Reflexion einer Welle an einer Isolatoroberfläche. 230
10.7 Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Leitern . 232
10.8 Geführte elektrische Wellen. 237
10.9 Strahlung von einem oszillierenden elektrischen Dipol . 242
10.10 Die Streuung elektromagnetischer Strahlung an Atomen . . . 245
Literaturhinweise zu Kapitel 10. 247
11 Raum und Zeit: Einführung in das Relativitätsprinzip 249
11.1 Das Relativitätsprinzip in der klassischen Mechanik. 249
11.2 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wirkung. 251
11.3 Das Relativitätsprinzip in der Elektrodynamik. 253
11.4 Die Invarianz des Raum-Zeit-Abstandes. 256
11.5 Die Lorentz-Transformation. 262
11.6 Die Lorentz-invariante Addition von Geschwindigkeiten . . . 264
11.7 Die Relativität der Gleichzeitigkeit von Ereignissen und deren
Reihenfolge. 266
11.8 Längenkontraktion. 267
11.9 Die Zeitdilatation. 268
11.10 Relativistischer Dopplereffekt und Aberration. 268
11.11 Relativistische Dynamik - eine Einführung. 274
12 Relativistische Dynamik mit Vierervektoren 279
12.1 Vierervektoren. 279
12.2 Vierergeschwindigkeit eines Teilchens. 281
12.3 Energie-Impulsvierervektor . 281
12.4 Lorentz-Transformation des Energie-Impuls-Vierervektors . . 284
VIII Inhaltsverzeichnis
12.5 Zweikörper-Zerfall eines Teilchens . 285
12.6 Teilchenproduktion an der Erzeugungs-Schwelle. 286
12.7 Der Compton-Effekt. 290
12.8 Vierervektoren in der Elektrodynamik. 293
12.9 Die Bewegungsgleichung in relativistischer Schreibweise . . . 295
12.10 Schlussbemerkung. 297
Literaturhinweise zu Kapitel 11 und 12. 298
Anhang 299
A
Maßsysteme der Elektrodynamik. 299
В
SI-Einheiten . 302
С
Vorsätze. 303
D
Wichtige physikalische Konstanten . 304
E
Abgeleitete Einheiten. 306
E.l Länge. 306
E.2 Masse. 306
E.3 Zeit. 306
E.4 Temperatur. 306
E.5 Winkel . 306
E.6 Kraft, Druck . 307
E.7 Energie, Leistung, Wärmemenge. 307
E.8 Elektromagnetismus. 307
Sachverzeichnis 309 |
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
IX
Tabellenverzeichnis XIV
Vorwort
XV
1 Einführung 1
1.1 Kräfte zwischen rahenden Ladungen: Elektrostatik. 1
1.2 Kräfte zwischen bewegten Ladungen: Magnetische Kräfte . . 8
1.3 Das elektromagnetische Feld. 16
Literaturhinweise zu Kapitel 1. 17
2 Grundlagen der Elektrostatik 19
2.1 Die Elementarladung. 19
2.2 Das Coulombsche Gesetz. 22
2.3 Das elektrische Feld. 25
2.4 Das elektrische Potential. 27
2.5 Das elektrische Feld als Gradient des Potentials. 31
2.6 Der Gaußsche Satz der Elektrostatik. 40
Literaturhinweise zu Kapitel 2. 45
3 Verschiedene Anwendungen der Gesetze der Elektrostatik 47
3.1 Gleichgewicht im elektrostatischen Feld. 47
3.2 Das elektrostatische Feld einer ebenen Ladungsschicht . 48
3.3 Das elektrische Feld eines Plattenkondensators. 50
3.4 Unendlich langer, geladener Draht und Koaxialkabel. 53
3.5 Das elektrische Feld einer homogen geladenen Kugel. 56
3.6 Leiter in einem statischen elektrischen Feld. 58
3.7 Spitzen in starken elektrischen Feldern. 60
3.8 Das Rastertunnelmikroskop . 63
3.9 Der Faradaysche Käfig. 64
3.10 Influenz. 66
3.11 Das elektrische Feld zwischen geladenen Leitern. 69
3.12 Die Energie des elektrischen Feldes. 71
3.13 Die Abschirmung elektrischer Potentiale in leitenden Medien 76
Literaturhinweise zu Kapitel 3. 81
VI
Inhaltsverzeichnis
4 Isolatoren im elektrischen Feld 83
4.1 Die Gleichungen der Elektrostatik in einem Dielektrikum . . . 83
4.2 Die Polarisierbarkeit von Atomen in elektrischen
Wechselfeldern. 89
4.3 Die Dielektrizitätskonstante eines Plasmas. 91
4.4 Die Orientierangspolarisation . 93
4.5 Die Dielektrizitätskonstante eines dichten Mediums. 98
4.6 Elektrische Polarisation in festen Körpern. 103
Literaturhinweise zu Kapitel 4. 106
5 Der elektrische Strom 107
5.1 Stromdichte, Strom und Ladungserhaltung . 107
5.2 Elektrische Leitfähigkeit und das Ohmsche Gesetz. 109
5.3 Mikroskopisches Modell für das Ohmsche Gesetz. HO
5.4 Elektronenleitung in festen Körpern. 112
5.5 Ionenleitung in Elektrolytlösungen. 116
5.6 Die elektrische Leistung eines Stromes in einem Widerstand . 122
5.7 Elektromotorische Kraft. 123
5.8 Austrittsarbeit, Kontaktspannung und Thermospannung . . . . 126
5.9 Stromkreise und Stromverzweigungen (Kirchhoffsehe Regeln) 131
Literaturhinweise zu Kapitel 5. 134
6 Das magnetische Feld 135
6.1 Das
Ampèresche
Gesetz. 137
6.2 Das Biot-Savartsche Gesetz . 143
6.3 Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen
Feldern. 147
Literaturhinweise zu Kapitel 6. 154
7 Die Bewegung von geladenen Teilchen im magnetischen
Feld 157
7.1 Die magnetische Kraft auf einen stromführenden Draht . 157
7.2 Der Hall-Effekt. 158
7.3 Der magnetohydrodynamische Generator (MHD-Generator) . 160
7.4 Bewegte metallische Leiter (Generatorprinzip). 161
7.5 Kraftwirkungen auf einen magnetischen Dipol . 163
7.6 Bahnen freier Ladungen im Magnetfeld. 166
7.7 Bahnen geladener Teilchen im Magnetfeld der Erde. 170
Literaturhinweise zu Kapitel 7. 172
8 Induktionserscheinungen 173
8.1 Das Faradaysche Induktionsgesetz. 173
8.2 Die Lenzsche Regel. 174
8.3 Beispiele zum Induktionsgesetz. 175
8.4 Die Selbstinduktion. 182
Inhaltsverzeichnis
VII
8.5 Die Energie des magnetischen Feldes. 187
8.6 Der elektrische Schwingkreis. 189
8.7 Erzwungene elektrische Schwingungen. 192
8.8 Wechselstromleistung . 194
Literaturhinweise zu Kapitel 8. 198
9 Materie im Magnetfeld 199
9.1 Die Magnetisierung der Materie. 200
9.2 Die Feldgleichungen der Magnetostatik in Materie. 210
9.3 Diamagnetisches Verhalten von Supraleitern. 212
Literaturhinweise zu Kapitel 9. 215
10 Elektromagnetische Wellen 217
10.1 Erweiterung des
Ampèreschen
Gesetzes für zeitlich
veränderliche Felder: der Verschiebungsstrom. 217
10.2 Die Maxwellschen Gleichungen. 219
10.3 Die Wellenausbreitung im Vakuum . 221
10.4 Die Energiedichte einer elektromagnetischen Welle. 227
10.5 Elektromagnetische Wellen im Dielektrikum . 228
10.6 Reflexion einer Welle an einer Isolatoroberfläche. 230
10.7 Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Leitern . 232
10.8 Geführte elektrische Wellen. 237
10.9 Strahlung von einem oszillierenden elektrischen Dipol . 242
10.10 Die Streuung elektromagnetischer Strahlung an Atomen . . . 245
Literaturhinweise zu Kapitel 10. 247
11 Raum und Zeit: Einführung in das Relativitätsprinzip 249
11.1 Das Relativitätsprinzip in der klassischen Mechanik. 249
11.2 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wirkung. 251
11.3 Das Relativitätsprinzip in der Elektrodynamik. 253
11.4 Die Invarianz des Raum-Zeit-Abstandes. 256
11.5 Die Lorentz-Transformation. 262
11.6 Die Lorentz-invariante Addition von Geschwindigkeiten . . . 264
11.7 Die Relativität der Gleichzeitigkeit von Ereignissen und deren
Reihenfolge. 266
11.8 Längenkontraktion. 267
11.9 Die Zeitdilatation. 268
11.10 Relativistischer Dopplereffekt und Aberration. 268
11.11 Relativistische Dynamik - eine Einführung. 274
12 Relativistische Dynamik mit Vierervektoren 279
12.1 Vierervektoren. 279
12.2 Vierergeschwindigkeit eines Teilchens. 281
12.3 Energie-Impulsvierervektor . 281
12.4 Lorentz-Transformation des Energie-Impuls-Vierervektors . . 284
VIII Inhaltsverzeichnis
12.5 Zweikörper-Zerfall eines Teilchens . 285
12.6 Teilchenproduktion an der Erzeugungs-Schwelle. 286
12.7 Der Compton-Effekt. 290
12.8 Vierervektoren in der Elektrodynamik. 293
12.9 Die Bewegungsgleichung in relativistischer Schreibweise . . . 295
12.10 Schlussbemerkung. 297
Literaturhinweise zu Kapitel 11 und 12. 298
Anhang 299
A
Maßsysteme der Elektrodynamik. 299
В
SI-Einheiten . 302
С
Vorsätze. 303
D
Wichtige physikalische Konstanten . 304
E
Abgeleitete Einheiten. 306
E.l Länge. 306
E.2 Masse. 306
E.3 Zeit. 306
E.4 Temperatur. 306
E.5 Winkel . 306
E.6 Kraft, Druck . 307
E.7 Energie, Leistung, Wärmemenge. 307
E.8 Elektromagnetismus. 307
Sachverzeichnis 309 |
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