Elektrodynamik und spezielle Relativitätstheorie:
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München [u.a.]
Oldenbourg
2008
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| Edition: | 7., aktualisierte Aufl. |
| Series: | Physik
2 |
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| Online Access: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis |
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Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis IX
Tabellenverzeichnis XIV
Vorwort XV
1 Einführung 1
1.1 Kräfte zwischen ruhenden 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
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 Orientierungspolarisation 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 110
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 (Kirchhoffsche Regeln) 131
Literaturhinweise zu Kapitel 5 134
6 Das magnetische Feld 135
6.1 Das Amperesche 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
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 Ampereschen 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
H.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
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
B SI-Einheiten 302
C 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
Abbildungsverzeichnis
1.1 Blitzeinschlag 4
1.2 Die Katze 5
1.3 Goldblatt-Elektrometer 5
1.4 Paraffinkugel in Wasser 6
1.5 Elektrisches Feld einer Punktladung 8
1.6 Kraftlinien einer Punktladung 8
1.7 Kraftwirkungen zwischen zwei Stabmagneten 9
1.8 Stabmagnet und Hufeisenmagnet 9
1.9 Lorentz-Kraft 10
1.10 Richtung der Lorentz-Kraft H
1.11 Der elektrische Strom 12
112 Lorentz-Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter 12
113 Ablenkung einer Magnetnadel '3
1.14 Eisenfeilspänen um einen stromdurchflossenen Draht 13
1-15 Magnetische Feldstärke um einen stromführenden Draht . 14
116 Lorentz-Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern . . 14
2.1 Millikan Versuch 19
2.2 Elektron-Positron-Paarbildung 21
2.3 Coulombsche Drehwaage 23
2.4 Kraft auf eine Probeladung 23
2.5 Gesamtkraft zweier Ladungen auf eine Probeladung 24
2.6 Berechnung der elektrischen Feldstärke 25
2.7 Beiträge zur elektrischen Feldstärke . 26
2.8 Das Potential eines Protons 28
2.9 Arbeit im Feld 29
210 Beiträge zum Potential
2-11 Potential eines elektrischen Dipols 32
212 Polarkoordinaten
2-13 Äquipotentialflächen eines elektrischen Dipols 35
2.14 HCl-Molekül . 35
2-15 H2O-Molektil . 36
2.16 CO2-Molekül . ^
217 Wasserstoffatom im elektrischem Feld 37
2.18 Polarisierbarkeit des CO2-Moleküls 39
2.19 Teilchenfluss durch Flächenelemente 40
2.20 Flächenelemente 41
2.21 Zur Berechnung des Flusses des elektrischen Feldes 42
2.22 Projektion eines Flächenelementes 42
2.23 Punktladung außerhalb einer geschlossenen Fläche 44
3.1 Gleichgewichtslagen im elektrischen Feld 48
3.2 Elektrisches Feld einer Ladungsschicht 49
3.3 Plattenkondensator 50
3.4 Plattenkondensator, elektrisches Feld und Potential 51
3.5 Der Drehkondensator. 52
3.6 Parallelschaltung zweier Kondensatoren 52
3.7 Serienschaltung zweier Kondensatoren 52
3.8 Der unendlich lange, geladene Draht 54
3.9 Das Koaxialkabel 55
3.10 Die homogen geladene Kugel 56
3.11 Das elektrisches Feld einer Kugel 57
3.12 Das Innere eines Leiters 58
3.13 Zwei Metallkugeln auf gleichem Potential 59
3.14 Eine nicht kugelförmige Leiteroberfläche 60
3.15 Das Feldionen-Mikroskop 61
3.16 Aufnahme eines Feldionen-Mikroskops 62
3.17 Tunneleffekt 63
3.18 Schematische Skizze eines Rastertunnelmikroskops 64
3.19 Siliziumoberfläche 64
3.20 Feld im Inneren eines Leiters I 65
3.21 Feld im Inneren eines Leiters II 65
3.22 Van-de-Graaff-Generator - Funktionsweise 66
3.23 Van-de-Graaff-Generator 67
3.24 Leiter im Feld eines Plattenkondensators 67
3.25 Influenzladungen 68
3.26 Elektrisches Feld zwischen einer Punktladung und einer
Metallplatte 70
3.27 Ein Kondensator mit der Ladung Q 72
3.28 Kraft zwischen den Platten eines Kondensators 75
3.29 Das elektrische Feld eines Plattenkondensators 76
3.30 Eine geladene Metallkugel in einem Elektrolyten 76
3.31 Das elektrostatische Feld einer geladenen Kugel 77
3.32 Geladene Kugel im Elektrolyten: Ionendichte 78
3.33 Geladene Kugel im Elektrolyten: Gaußsche Fläche 78
3.34 Geladene Kugel im Elektrolyten: Potential 79
4.1 Ein Dielektrikum innerhalb eines Plattenkondensators . 84
4.2 Fluss der Polarisation durch eine geschlossene Fläche 87
4.3 Die atomare Polarisierbarkeit 90
4.4 Plasmaschicht 91
4.5 Elektrischer Dipol in einem homogenen Feld 93
4.6 Elektrischer Dipol in einem inhomogenen Feld 94
4.7 Elektrischer Dipol parallel zum inhomogenen Feld 95
4.8 Elektrischer Dipol im Feld (potentielle Energie) 96
4.9 Polarisation eines Gases im elektrischen Feld 96
4.10 Parelektrische Suszeptibilität einiger Gase 97
4.11 Atom in einem isotropen Isolator 99
4.12 Elektrisches Feld im Innern eines Hohlraums 100
4.13 Das elektrische Feld im Innern eines kugelförmigen
Hohlraums 101
4.14 Das elektrische Feld einer homogen polarisierten Kugel . 102
4.15 Einheitszelle eines Quarz-Kristalls 103
4.16 OH"-Verunreinigung in einem NaCl-Gitter 104
4.17 Spontane Polarisation in Bariumtitanat 105
4.18 Die Suszeptibilität von Bariumtitanat 106
5.1 Ladungsverteilung innerhalb einer Vakuumröhre 108
5.2 Leitfähigkeit einiger Metalle und Halbleiter 113
5.3 Entdeckung der Supraleitung H4
5.4 Spezifische elektrische Leitfähigkeit einer NaCl-Lösung . 117
5.5 Dissoziation eines NaCl-Moleküls in Wasser 118
5.6 Prinzip der Elektrophorese (nach TlSEUUS) 120
5.7 Elektrophorogramm eines menschlichen Blutserums 121
5.8 Beweglichkeit eines Protein-Moleküls 122
5.9 Potentialdifferenz längs eines Leiterstückes 123
5.10 Vakuumröhre als elektromotorische Kraft 123
5.11 Elektrochemische Spannungsreihe 125
5.12 Daniell-Element !~
5.13 Austrittsarbeit ^
5.14 Zur Berührungsspannung
5.15 Zur Thermospannung
5.16 EinKupfer-Konstantan-Thermoelement
5.17 Peltier-Effekt \
5.18 Ein einfacher elektrischer Stromkreis ^
5.19 Zur Kirchhoffschen Knotenregel l*
5.20 Serien-und Parallelschaltung von Ohmschen Widerstanden. . 133
521 Komplizierter Stromkreis
5.22 Wheatstonesche Brückenschaltung
6.1 Magnetische Feldlinien (zwei stromdurchflossene Leiter . 136
6.2 Magnetfeld von Spule und Stabmagnet 137
6.3 Berechnung der Zirkulation des Magnetfeldes 138
6.4 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Drahtes 140
6.5 Magnetfeldes innerhalb eines Koaxialkabels I 141
6.6 Magnetfeldes zwischen stromdurchflossenen Platten 142
6.7 Anwendung des Ampereschen Gesetzes 142
6.8 Biot-Savartsches Gesetz 144
6.9 Magnetfeldes einer ringförmigen Stromschleife 145
6.10 Magnetfeld einer rechteckigen Stromschleife 145
6.11 Ein stromdurchflossener Draht in relativistischer Behandlung . 148
6.12 Bewegter Kondensator 151
6.13 Elektrische Feldlinien bei einer Punktladung 152
7.1 Zur Berechnung der magnetischen Kraft 157
7.2 Der Hall-Effekt 159
7.3 Prinzip des magnetohydrodynamischen Generators 160
7.4 Demonstration des Prinzips des MHD-Generators 161
7.5 Generatorprinzip 162
7.6 Demonstrationsversuch zum Generatorprinzip 162
7.7 Ein einfacher Spannungsgenerato 162
7.8 Drehmoment auf eine rechteckige Stromschleife 163
7.9 Prinzipieller Aufbau eines Drehspulgalvanometers 166
7.10 Prinzipieller Aufbau eines Zyklotrons 167
7.11 Prinzip eines Massenspektrometers 168
7.12 Geladenes Teilchen im homogenen Magnetfeld 169
7.13 Geladenes Teilchen im inhomogenen Magnetfeld 169
7.14 Geladene Teilchen im Magnetfeld der Erde 170
7.15 Van-Allen-Strahlungsgürtel 171
8.1 Drahtschleife im magnetischen Feld 174
8.2 Zur Richtung des Induktionsstromes 175
8.3 Induktion 176
8.4 Das geomagnetische Feld 176
8.5 Erzeugung hoher gepulster Magnetfelder 177
8.6 Prinzip eines Drehstrom-Motors 177
8.7 Prinzip eines Typs von Magnetschwebebahnen 178
8.8 Transrapid 178
8.9 Drahtschleife und Magnetfeld 179
8.10 Wirbelstromdämpfung 180
8.11 Prinzipieller Aufbau eines Betatrons 180
8.12 Magnetischer Fluss durch eine Drahtschleife 183
8.13 Ein-und Ausschaltverhalten einer Spule 183
8.14 Einschalt-und Ausschaltstrom einer Spule 184
8.15 Selbstinduktivität einer langen Spule 185
8.16 Induktivität eines Koaxialkabels 186
8.17 Elektrischer Schwingkreis 189
8.18 Schwingkreis 190
8.19 Schwingkreis und Hohlraumresonator 191
8.20 Elektrischer Schwingkreis 193
8.21 Wechselstromleistung 195
8.22 Wechselstromleistung für ein Netzwerk 196
9.1 Stern-Gerlach-Versuch 200
9.2 Bestimmung des Magnetfeldes in Materie 202
9.3 Orientierte magnetische Momente 203
9.4 Magnetisierungskurve einer Weicheisenprobe 207
9.5 Riesenmagnetwiderstand 209
9.6 Elektromagnet mit Eisenkern 211
9.7 Meißner-Effekt 213
9.8 Permanent-Magnet im Schwebezustand (Hochtemperatur-
Supraleiter) 214
10.1 Zur Herleitung des Verschiebungsstroms 218
10.2 Zum Ampereschen Gesetz 218
10.3 Fluss durch eine Gaußsche Fläche 222
10.4 Harmonische, ebene elektromagnetische Welle 222
10.5 Kurvenintegral 224
10.6 Feld und Energiedichte der ebenen, harmonschen Welle . 227
10.7 Poynting-Vektor 228
10.8 Reflexion einer Welle an einer Isolatoroberfläche 230
10.9 Elektromagnetische Wellen in Leitern 232
10.10 Zum Skineffekt 234
10.11 Reflexion von Radiowellen 236
10.12 Zu den Reichweiten für Radiowellen 236
10.13 Elektronendichte bzw. Plasmafrequenz der Ionosphäre . 237
10.14 Elektromagnetische Wellen in einem Koaxialkabel 238
10.15 Koaxialkabel: Feld-und Stromverteilung 239
10.16 Elektromagnetischen Welle an Metalloberflächen 240
10.17 Feldverteilung in einem Rechteck-Hohlleiter 241
10.18 Elektrische Feldlinien eines vertikalen Hertzschen Dipols . . . 243
Hl Michelson-Interferometer
H.2 Interferenzstreifen beim Michelson-Interferometer 254
113 Zur Definition des Raum-Zeit-Abstands 257
114 Zur Zeitdilatation rrJJ
115 Zur Herleitung des relativistischen Dopplereffekts 2./Ö
Tabellenverzeichnis
2.1 Atomare Polarisierbarkeiten einiger Elemente 38
4.1 Dielektrizitätskonstante einiger Substanzen 86
5.1 Der spezifische elektrische Widerstand einiger Substanzen . . 110
5.2 Sprungtemperatur der supraleitenden Elemente 114
5.3 Sprungtemperatur von supraleitenden metallischen
Legierungen 115
5.4 Sprungtemperaturen von Hochtemperatur-Supraleitern . 115
5.5 Thermokräfte 130
6.1 Relativistischer Zusammenhang - Beispiel 150
7.1 Ladungsträger- und Teilchendichten einiger Metalle (pro m3). 159
7.2 Vergleich von magnetischem und elektrischem Dipol 164
9.1 Eigenschaften einiger ferromagnetischer Substanzen 201
A.l Coulombsche Gesetz und das Amperesche Gesetz im SI-
System und in den CGS-Systemen 300
A.2 Coulombsche Gesetz und das Amperesche Gesetz im SI-
System und in den CGS-Systemen 301 |
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