Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 2 Elektromagnetismus
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2006
|
| Edition: | 9., überarbeitete Auflage |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Titel der 1. - 7. Aufl.: Elektrizität und Magnetismus |
| Physical Description: | XVI, 976 Seiten Illustrationen, Diagramme |
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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
1.4 Nutzung des Internets . 9
1.4.1 Web-Adressen von allgemeiner Nützlichkeit . 10
Kapitel 2-6 Elektromagnetische Wechselwirkung von Ladungen,
Strömen und Feldern . 13
2 Oberflächenladungen und elektrische Felder . 17
2.1 Experimentieren mit Ladungen . 19
2.1.1 Reibungselektrizität . 19
2.1.2 Influenzerscheinungen . 25
2.1.3 Sitz der Ladungen auf einem Leiter . 27
2.1.4 Entladungen durch die Luft . 30
2.1.5 Elektrisiermaschinen . 33
2.2 Elektrische Kraft und Feldstärke . 36
2.2.1 Coulomb-Gesetz . 36
2.2.2 Einheit der Ladung, elektrische Konstante . 39
2.2.3 Elektrische Erregung und Feldstärke . 41
2.2.4 Sichtbarmachung elektrischer Felder . 44
2.2.5 Gauß'sche Formulierung des Coulomb-Gesetzes . 47
2.2.6 Quantitative Erfassung der Influenz . 50
2.3 Potential, Spannung . 54
2.3.1 Potential und Feldstärke . 54
2.3.2 Äquipotentialflächen . 59
2.3.3 Dipole und Dipolschichten, Multipole . 65
2.4 Kapazität . 73
2.4.1 Zweileiter-Systeme als Kondensatoren . 73
2.4.2 Elektrische Feldenergie . 79
2.4.3 Permittivität . 81
2.4.4 Kondensator-Bauformen . 83
2.5 Anwendungsbeispiele . 87
2.5.1 Vermeidung von Aufladungen . 87
2.5.2 Sprüh- und Trennverfahren . 89
2.5.3 Xerographie. 90
VIII Inhalt
2.6 Internet-Hinweise zu Kapitel 2 . 91
2.6.1 Sachthemen . 91
2.6.2 Biographien . 93
3 Leiterströme und magnetische Felder, Magnete. 95
3.1 Von der Elektrostatik zum Galvanismus . 97
3.2 Experimentieren mit Strömen . 101
3.2.1 Elektrischer Strom in Metalldrähten . 101
3.2.2 Ohm'sches Gesetz, Widerstand . 105
3.2.3 Elektrische Arbeit, Stromwärme . 109
3.2.4 Strom und Spannung in elektrischen Netzwerken . 112
3.2.5 Erde und Masse . 118
3.3 Magnetisches Kraftgesetz . 119
3.3.1 Magnetfeld eines Leiterstroms . 120
3.3.2 Kraft zwischen zwei Leiterströmen . 123
3.3.3 Definition der magnetischen Feldstärke . 126
3.3.4 Magnetisches Moment einer Stromschleife . 129
3.3.5 Zur Deutung magnetischer Feldlinienbilder . 131
3.4 Durch beliebige Ströme erzeugte magnetische Felder . 132
3.4.1
3.4.2 Biot-Savart-Gesetz . 135
3.4.3 Magnetisches Vektorpotential, magnetischer Fluss . 136
3.4.4 Spezielle Spulenformen . 139
3.4.5 Magnetische Dipole . 144
3.5 Vergleich der Gesetze für statische elektrische und magnetische Felder. 146
3.6 Magnete . 149
3.6.1 Permanentmagnete . 149
3.6.2 Demonstrationsexperimente mit Permanentmagneten . 152
3.6.3 Erregung und Feldstärke eines Ferromagneten . 156
3.6.4 Hystereseschleife . 158
3.6.5 Abschirmung von Magnetfeldern . 160
3.6.6 Magnetische Kreise . 161
3.7 Drehspul-Messinstrumente . 171
3.8 Internet-Hinweise zu Kapitel 3 . 176
3.8.1 Leiterströme und magnetische Felder . 176
3.8.2 Magnete . 177
3.8.3 Biographien . 177
4 Elektromagnetische Induktion . 179
4.1 Induktionsgesetz . 181
4.1.1 Entdeckung durch
4.1.2 Quantifizierung, Lenz'sche Regel . 184
4.1.3 Induktionsexperimente mit bewegten Magneten . 186
4.1.4 Induktionsexperimente mit bewegten Leitern . 187
4.1.5 Allgemeine Formulierung des Induktionsgesetzes . 191
4.1.6 Didaktische Variante . 193
4.1.7 Erhaltung des magnetischen Flusses . 195
Inhalt
4.2 Induktivität . 196
4.2.1 Selbstinduktion, Definition der Induktivität. 196
4.2.2 Magnetische Feldenergie . 200
4.2.3 Induktive Kopplung . 201
4.2.4 Induktive Messung von Flüssen . 202
4.2.5 Wirbelströme. 208
4.2.6 Spulen als Bauelemente . 211
4.3 Wechselstrom . 214
4.3.1 Definitionen, Erzeugung, Messung . 214
4.3.2
4.3.3 Mehrphasenströme, magnetische Drehfelder . 230
4.3.4 Transformatoren . 234
4.3.5 Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt . 242
4.4 Generatoren und Motoren . 246
4.4.1 Überblick . 246
4.4.2 Gleichstrommaschinen . 247
4.4.3 Drehstrom-Synchronmaschinen . 251
4.4.4 Drehstrom-Asynchronmaschinen . 254
4.4.5 Einphasen-Wechselstrom-Maschinen . 257
4.5 Stromversorgung . 260
4.5.1 Technische Grundlagen . 260
4.5.2 Aufbau des öffentlichen Netzes . 263
4.5.3 Erzeugung und Verbrauch der Sekundärenergie „Strom" . 266
4.5.4 Entwicklungsperspektiven . 268
4.6 Internet-Hinweise zu Kapitel 4 . 270
4.6.1 Grundlagen der Elektrotechnik . 270
4.6.2 Stromversorgung . 271
4.6.3 Elektrische Antriebe . 272
4.6.4 Energie . 272
4.6.5 Biographien . 273
5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen . 275
5.1 Experimentieren mit Hochfrequenz . 278
5.1.1 Schwingkreis, gedämpfte Schwingungen . 278
5.1.2 Ungedämpfte Schwingungen . 284
5.1.3 Induktiver Widerstand, Skineffekt . 291
5.1.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz . 293
5.1.5 Gekoppelte Schwingkreise . 302
5.2 Elektromagnetische Drahtwellen . 306
5.2.1 Lecher-Leitung . 306
5.2.2 Theorie der Drahtwellen . 309
5.2.3 Verschiedene Doppelleitungen . 313
5.3 Elektromagnetische Raumwellen . 316
5.3.1 Messung der kritischen Geschwindigkeit . 316
5.3.2 Theorie von James
5.3.3 Experimente von Heinrich Hertz . 325
5.3.4 Strahlung des Hertz'schen Dipols . 330
5.3.5 Elektromagnetisches Spektrum . 333
X
5.4 Experimentieren mit Mikrowellen . 336
5.4.1 Antennen . 336
5.4.2 Wellenausbreitung . 342
5.4.3 Hohlleiter . 347
5.5 Anwendungsbeispiele . 355
5.5.1 Rundfunk . 355
5.5.2 Radioastronomie . 366
5.6 Internet-Hinweise zu Kapitel 5 . 370
5.6.1 Signalübertragung auf Leitungen . 370
5.6.2 Funk- und Radiotechnik . 371
5.6.3 Radar, Radioastronomie . 372
5.6.4 Satellitentechnik . 373
5.6.5 Biographien . 373
6 Licht . 375
6.1 Experimentieren mit Licht . 378
6.1.1 Messgrößen, Standards . 378
6.1.2 Strahlenoptik . 387
6.1.3 Wellenoptik . 406
6.1.4 Polarisationsoptik . 424
6.2 Lichtgeschwindigkeit . 437
6.2.1 Messungen der Lichtgeschwindigkeit . 437
6.2.2 Lichtgeschwindigkeit in bewegten Medien . 440
6.2.3 Michelson-Morley-Experiment . 442
6.2.4 Lösung des Ätherproblems . 445
6.3 Relativistische Optik . 446
6.3.1 Lorentz-Transformation . 446
6.3.2 Aberration, Doppler-Effekt. 448
6.3.3 Transformation der elektromagnetischen Felder . 450
6.3.4 Ladungen mit relativistischen Geschwindigkeiten . 451
6.4 Internet-Hinweise zu Kapitel 6 . 456
6.4.1 Sachthemen . 456
6.4.2 Biographien . 456
Kapitel 7-14 Elektromagnetische Effekte in atomarer Materie . 459
7 Einführung in die Atomphysik . 461
7.1 Anschaulicher Atomismus . 463
7.1.1 Akzeptanz der Atomvorstellung . 463
7.1.2 Ionen, freie Elektronen . 464
7.1.3 Elektronen in Metallen . 467
7.1.4 Offene Fragen . 469
7.2 Welle-Teilchen-Dualismus . 470
7.2.1 Teilchencharakter des Lichtes . 470
7.2.2 Wellencharakter der Elektronen . 472
7.2.3 Unbestimmtheitsrelation . 475
Inhalt
7.3 Struktur der Atome . 478
7.3.1 Rutherford-Bohr'sches Atommodell . 478
7.3.2 Drehimpuls, Richtungsquantelung, Gyromagnetismus . 480
7.3.3 Quantenmechanische Beschreibung des Wasserstoffatoms . 484
7.3.4 Aufbau der Mehrelektronen-Atome . 488
7.3.5 Orbitale, chemisches Verhalten . 492
7.4 Quantenstatistik . 496
7.4.1 Statistische Behandlung identischer Elemente . 497
7.4.2 Photonen der thermischen Strahlung . 500
7.4.3 Bose-Einstein-Kondensation . 503
7.4.4 Leitungselektronen der Metalle . 504
7.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 7 . 506
7.5.1 Sachthemen . 506
7.5.2 Biographien . 506
8 Elektrische Effekte in Metallen . 509
8.1 Leitungselektronen . 511
8.1.1 Kinetische Theorie . 511
8.1.2 Hall-Effekt . 514
8.1.3 Rauschen . 517
8.2 Grenzfläche Metall/Vakuum . 519
8.2.1 Austrittsarbeit . 520
8.2.2 Elektronen-Emissionsprozesse . 523
8.3 Grenzfläche Metall/Metall . 528
8.3.1 Kontaktspannung . 528
8.3.2 Thermoelektrizität . 530
8.3.3 Übergangswiderstand . 538
8.4 Supraleitung . 541
8.4.1 Grundlagen . 541
8.4.2 Quanteneffekte . 546
8.4.3 Anwendungen . 551
8.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 8 . 553
8.5.1 Elektrische Ströme in Metallen . 553
8.5.2 Grenzflächen-Effekte . 554
8.5.3 Supraleitung . 556
8.5.4 Biographien . 556
9 Elektrische Effekte in Halbleitern . 559
9.1 Ladungstransport-Prozesse, Hall-Effekt . 560
9.2 Bändermodell . 562
9.2.1 Grundbegriffe . 562
9.2.2 Leitfähigkeit . 565
9.2.3 Zustands- und Ladungsträgerdichten . 569
9.2.4 Bänder im
9.2.5 pn-Übergang . 574
9.2.6 Metall/Halbleiter-Übergang . 578
XII Inhalt
9.3 Halbleiter-Bauelemente . 579
9.3.1 Dioden, Thyristoren . 579
9.3.2 Transistoren . 584
9.3.3 Operationsverstärker . 591
9.3.4 Bauelemente der Digitalelektronik . 594
9.4 Photohalbleiter . 597
9.4.1 Photowiderstände . 597
9.4.2 Photodioden, Photoelemente . 598
9.4.3 Leuchtdioden . 603
9.4.4 Halbleiter-Laser . 604
9.4.5 Leuchtstoffe, Elektrolumineszenz . 605
9.5 Halbleiter-Technologie . 606
9.5.1 Präparation, Dotierung, Strukturierung . 606
9.5.2 Integrierte Schaltungen, Mikroelektronik . 609
9.6 Internet-Hinweise zu Kapitel 9 . 609
9.6.1 Umfangreiche Sachthemen . 609
9.6.2 Halbleiter/Elektronik . 610
9.6.3 Photohalbleiter/Optoelektronik . 611
9.6.4 Biographien . 612
10 Gasentladungen, Plasmen . 615
10.1 Ladungstransport ohne Gasverstärkung . 617
10.1.1 Ionisation und Rekombination . 617
10.1.2 Strom-Spannungs-Charakteristik . 620
10.1.3 Anwendungen im Strahlenschutz . 621
10.1.4 Ionen als Kondensationskeime . 624
10.2 Ladungstransport mit Gasverstärkung . 626
10.2.1 Townsend-Lawinen . 626
10.2.2 Ionisationskammern mit Gasverstärkung . 628
10.2.3 Proportionszähler, Drahtkammern . 628
10.3 Selbständige Entladungen . 631
10.3.1 Zündbedingung . 631
10.3.2 Zünden und Löschen im Geiger-Zähler . 633
10.3.3 Korona- und Funkenentladungen in Luft . 634
10.3.4 Gewitter . 639
10.3.5 Glimmentladungen . 646
10.3.6 Lichtbögen . 652
10.4 Plasmen . 655
10.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 10 . 658
10.5.1 Strahlung, Detektoren, Strahlungsschutz . 658
10.5.2 Gewitter . 659
10.5.3 Plasmen . 659
10.5.4 Biographien . 660
11 Geladene Teilchen im Vakuum . 663
11.1 Techniken . 664
11.1.1 Vakuum . 664
Inhalt XIII
11.1.2 Spannungsversorgung . 666
11.1.3 Abschirmung . 668
11.1.4 Elektronenquellen . 669
11.1.5 Ionenquellen . 672
11.1.6 Elektronen- und Ionennachweis . 675
11.1.7 Bewegung geladener Teilchen in Feldern . 682
11.1.8 Elektronenoptik . 684
11.2 Elektronenröhren . 693
11.2.1 Dioden, Röntgenröhren . 693
11.2.2 Verstärkerröhren . 696
11.2.3 Elektronenstrahlröhren . 699
11.2.4 Lichtgesteuerte Röhren . 702
11.3 Geräte, Großgeräte . 704
11.3.1 Strahlsysteme zur Materialbearbeitung . 704
11.3.2 Massenspektrometer . 706
11.3.3 Teilchenfallen . 710
11.3.4 Elektronenmikroskope . 712
11.3.5 Teilchenbeschleuniger . 715
11.4 Internet-Hinweise zu Kapitel 11 . 721
11.4.1 Elektronenröhren . 721
11.4.2 Elektronen- und Ionenstrahlen . 722
11.4.3 Speicherung geladener Teilchen . 722
11.4.4 Mikroskope . 723
11.4.5 Beschleuniger . 723
11.4.6 Biographien . 724
12 Elektrochemie . 727
12.1 Elektrolyse . 728
12.1.1 Grundbegriffe und Beispiele . 728
12.1.2 Faraday-Gesetz . 736
12.1.3 Dissoziation, Leitfähigkeit . 737
12.1.4 Ladungstransport . 741
12.1.5 Starke
12.2 Galvanische Elemente . 748
12.2.1 Überblick . 748
12.2.2 Daniell-Element . 749
12.2.3 Konzentrationselemente . 751
12.2.4 Spannungsreihe der Metalle . 752
12.3 Elektrodenprozesse . 755
12.3.1 Prinzip der Sekundärelemente . 755
12.3.2
12.4 Technische Anwendungen . 759
12.4.1 Einweg-Batterien und Akkumulatoren . 759
12.4.2 Brennstoffzellen . 763
12.4.3 Elektrolytische Verfahren . 765
12.4.4 Korrosionsschutz . 767
12.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 12 . 769
XIV Inhalt
12.5.1 Grundlagen . 769
12.5.2 Anwendungen . 770
12.5.3 Biographien . 772
13 Elektrisches Verhalten von Isolatoren . 775
13.1 Oberflächenladungen durch Transfer . 778
13.1.1 Reibungselektrizität . 778
13.1.2 Strömungselektrizität . 781
13.2 Oberflächenladungen durch Polarisation . 783
13.2.1 Isolatoren im elektrischen Feld . 783
13.2.2 Polarisation, elektrische Erregung . 784
13.2.3 Demonstrationsexperimente . 786
13.2.4 Dielektrische Stoffe (im engeren Sinn) . 789
13.2.5 Parelektrische Stoffe . 791
13.2.6 Elektrorheologische Flüssigkeiten . 794
13.3 Elektrische Kristalle . 794
13.3.1 Überblick . 795
13.3.2 Piezoelektrizität . 798
13.3.3 Ferroelektrizität . 801
13.3.4 Technische Anwendungen . 804
13.4 Elektrete . 808
13.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 13 . 810
13.5.1 Elektrostatik . 810
13.5.2 Strömungselektrizität, ER-Flüssigkeiten . 810
13.5.3 Piezoelektrizität . 811
13.5.4 Ferroelektrika/Elektrete . 812
13.5.5 Biographien . 813
14 Magnetismus . 815
14.1 Dia- und Paramagnetismus . 817
14.1.1 Definitionen . 817
14.1.2 Messung der Suszeptibilität . 818
14.1.3 Diamagnetische Stoffe . 821
14.1.4 Paramagnetische Stoffe . 822
14.2 Ferromagnetismus . 824
14.2.1 Ferromagnetische Messgrößen . 825
14.2.2 Gyromagnetische Experimente . 828
14.2.3 Entstehung der spontanen Magnetisierung. 831
14.2.4 Ummagnetisierungsprozesse . 834
14.2.5 Magnetostriktion . 845
14.2.6
14.2.7
14.2.8 Magnetowiderstand . 851
14.2.9 Magneto-elektrische Effekte . 854
14.3 Magnetische Flüssigkeiten. 854
14.3.1 Ferrofluide . 854
14.3.2 Magnetorheologische Flüssigkeiten . 857
Inhalt
14.4 Magnetfeld der Erde . 858
14.4.1 Feld auf der Erdoberfläche . 858
14.4.2 Magnetosphäre der Erde . 861
14.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 14 . 864
14.5.1
14.5.2 Magnetowiderstand . 865
14.5.3 Magneto-elektrische Effekte . 866
14.5.4 Magnetische Flüssigkeiten . 866
14.5.5 Erdmagnetismus . 867
14.5.6 Biographien . 867
Kapitel 15-17 Anhänge . 869
15 Mathematische Hilfsmittel . 871
15.1 Vorbemerkungen . 871
15.2 Algebra mit physikalischen Größen . 873
15.3 Infinitesimalrechnung . 880
15.4
15.5 Komplexe Zahlen . 888
15.6 Schwingungsgleichung . 891
15.7 Fourier-Reihen und -Integrale . 896
15.8 Schaltalgebra . 904
15.9 Internet-Hinweise zu Kapitel 15 . 906
16 Gefahren im Umgang mit Elektrizität . 909
16.1 Wirkungen auf den menschlichen Körper . 909
16.2 Schutzmaßnahmen . 914
16.2.1 Netzanschluss und Erdung . 914
16.2.2 Sicherungen, Schutzschalter . 917
16.2.3 Erkennung von Defekten . 920
16.3 Verhaltensregeln . 920
16.3.1 Umgang mit Haushaltselektrizität . 921
16.3.2 Zusätzliche Regeln für das Labor . 923
16.4 Erste Hilfe . 924
16.4.1 Sofortmaßnahmen . 924
16.4.2 Atemspende und Herz-Lungen-Wiederbelebung . 925
16.5 Internet-Hinweise zu Kapitel 16 . 927
16.5.1 Gefahrenvermeidung . 927
16.5.2 Erste Hilfe nach Stromschlag . 928
16.5.3 Umstritten: Gefährdung durch Elektrosmog . 928
17 Hinweise und Tabellen . 929
17.1 Übungsaufgaben . 929
17.2 Ergänzende Literatur . 929
17.3 Einheiten . 930
XVI Inhalt
17.3.1 SI-Einheiten. 930
17.3.2 Ergänzungseinheiten . 932
17.3.3 Anmerkungen zu einigen anderen Einheiten . 933
17.4 Naturkonstanten. 935
17.5 Chemische Elemente . 938
17.6 Schaltzeichen der Elektrotechnik . 939
17.7 Internet-Hinweise zu Kapitel 17 . 941
17.7.1 Übungsaufgaben . 941
17.7.2 Einheiten und Naturkonstanten . 942
17.7.3 Chemische Elemente . 942
17.7.4 Elektrische Schaltzeichen . 942
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