Experimentalphysik: 2 Elektrizität und Optik : mit 19 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 145 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2009
|
| Ausgabe: | 5., überarb. und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
Springer-Lehrbuch |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XIX, 495 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540682103 |
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Inhaltsverzeichnis
1. Elektrostatik
1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz. 1
1.2 Das elektrische Feld. 5
1.2.1 Elektrische Feldstärke . 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 Äquipotentialflächen. 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 . 17
1.5 Leiter im elektrischen Feld. 18
1.5.1 Influenz . 18
1.5.2 Kondensatoren. 20
1.6 Die Energie des elektrischen Feldes. 23
1.7 Dielektrika im elektrischen Feld. 24
1.7.1 Dielektrische Polarisation. 25
1.7.2 Polarisationsladungen. 25
* 1.7.3 Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes
in Materie . 27
1.7.4 Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum. 30
1.8 Die atomaren Grundlagen von Ladungen
und elektrischen Momenten. 31
1.8.1 Der Millikan-Versuch. 31
1.8.2 Ablenkung von Elektronen und Ionen
in elektrischen Feldern. 32
1.8.3 Molekulare Dipolmomente. 33
1.9 Elektrostatik in Natur und Technik. 36
1.9.1 Reibungselektrizität und Kontaktpotential. 36
1.9.2 Das elektrische Feld der Erde
und ihrer Atmosphäre. 37
1.9.3 Die Entstehung von Gewittern. 37
1.9.4 Kugelblitze. 38
XII Inhaltsverzeichnis
1.9.5 Elektrostatische Staubfilter. 39
1.9.6 Elektrostatische Farbbeschichtung . 39
1.9.7 Elektrostatische Kopierer und Drucker. 40
Zusammenfassung. 41
Übungsaufgaben . 42
2. Der elektrische Strom
ШЕЕЕШШШШШЕЕІ^ШЕШШ^ШЕЕШШШЕЕШШЕШЕ^^Ш
2.1 Strom als Ladungstransport. 45
2.2 Elektrischer Widerstand und Ohmsches Gesetz. 47
2.2.1 Driftgeschwindigkeit und Stromdichte. 47
2.2.2 Das Ohmsche Gesetz. 49
2.2.3 Beispiele für die Anwendung des Ohmschen Gesetzes . 50
2.2.4 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
fester Körper; Supraleitung. 52
2.3 Stromleistung und Joulesche Wärme. 56
2.4 Netzwerke; Kirchhoffsche Regeln . 57
2.4.1 Reihenschaltung von Widerständen . 58
2.4.2 Parallelschaltung von Widerständen. 58
2.4.3 Wheatstonesche Brückenschaltung. 59
2.5 Messverfahren für elektrische Ströme. 59
2.5.1 Strommessgeräte. 59
2.5.2 Schaltung von Amperemetern . 61
2.5.3 Strommessgeräte als Voltmeter . 62
2.6 Ionenleitung in Flüssigkeiten. 62
2.7 Stromtransport in Gasen; Gasentladungen . 64
2.7.1 Ladungsträgerkonzentration. 64
2.7.2 Erzeugungsmechanismen für Ladungsträger. 64
2.7.3 Strom-Spannungs-Kennlinie. 65
2.7.4 Mechanismus von Gasentladungen. 67
2.7.5 Verschiedene Typen von Gasentladungen. 69
2.8 Stromquellen . 71
2.8.1 Innenwiderstand einer Stromquelle. 71
2.8.2 Galvanische Elemente . 72
2.8.3 Akkumulatoren . 74
2.8.4 Verschiedene Typen von Batterien . 75
2.8.5 Chemische Brennstoffzellen. 76
2.9 Thermische Stromquellen. 77
2.9.1 Kontaktpotential . 77
2.9.2 Der Seebeek-Effekt. 78
2.9.3 Thermoelektrische Spannung. 78
2.9.4 Peltier-Effekt . 80
Zusammenfassung. 81
Übungsaufgaben . 82
3. Statische Magnetfelder ■■^■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■1
3.1 Permanentmagnete. 85
3.2 Magnetfelder stationärer Ströme. 87
Inhaltsverzeichnis XIII
3.2.1 Magnetischer Kraftfluss und magnetische Spannung. 87
3.2.2 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters . 88
3.2.3 Magnetfeld im Inneren einer lang gestreckten Spule . 89
3.2.4 Das Vektorpotential . 89
3.2.5 Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung;
Biot-Savart-Gesetz . 90
3.2.6 Beispiele zur Berechnung von magnetischen Feldern
spezieller Stromanordnungen. 91
3.3 Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld . 96
3.3.1 Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld. 97
3.3.2 Kräfte zwischen zwei parallelen Stromleitern . 98
3.3.3 Experimentelle Demonstration der Lorentzkraft. 98
3.3.4 Elektronen- und Ionenoptik mit Magnetfeldern. 99
3.3.5 Hall-Effekt . 101
3.3.6 Das Barlowsche Rad zur Demonstration
der „Elektronenreibung" in Metallen . 102
*3.4 Elektromagnetisches Feld und Relativitätsprinzip. 103
3.4.1 Das elektrische Feld einer bewegten Ladung. 103
3.4.2 Zusammenhang zwischen elektrischem
und magnetischem Feld. 105
3.4.3 Relativistische Transformation von Ladungsdichte
und Strom. 106
3.4.4 Transformationsgleichungen
für das elektromagnetische Feld. 108
3.5 Materie im Magnetfeld . 109
3.5.1 Magnetische Dipole . 109
3.5.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität. 111
3.5.3 Diamagnetismus . 113
3.5.4 Paramagnetismus. 114
3.5.5 Ferromagnetismus. 114
3.5.6
Antiferro-,
Ferrimagnete und
Ferrite
. 118
*3.5.7 Feldgleichungen in Materie . 119
3.5.8
Elektromagnete
. 120
3.6 Das Magnetfeld der Erde . 121
Zusammenfassung. 123
Übungsaufgaben . 124
Zeitlich veränderliche Felder
4.1 Faradaysches Induktionsgesetz. 127
4.2 Lenzsche Regel. 130
4.2.1 Durch Induktion angefachte Bewegung. 131
4.2.2 Elektromagnetische Schleuder. 131
4.2.3 Magnetische
Lévitation
. 131
4.2.4 Wirbelströme . 132
4.3 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion. 132
4.3.1 Selbstinduktion . 132
4.3.2 Gegenseitige Induktion . 136
XIV Inhaltsverzeichnis
4.4 Die Energie des magnetischen Feldes . 138
4.5 Der Verschiebungsstrom. 138
4.6 Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale. 140
Zusammenfassung. 143
Übungsaufgaben. 143
'5. Elektrotechnische Anwendungen
ШШІШЕШЕШШЕШШЕШШЕШШШШШ/ШШ
5.1 Elektrische Generatoren und Motoren. 145
5.1.1 Gleichstrommaschinen. 147
5.1.2 Wechselstromgeneratoren. 150
5.2 Wechselstrom. 151
5.3 Mehrphasenstrom; Drehstrom. 152
5.4 Wechselstromkreise mit komplexen Widerständen;
Zeigerdiagramme. 155
5.4.1 Wechselstromkreis mit Induktivität. 155
5.4.2 Wechselstromkreis mit Kapazität . 156
5.4.3 Allgemeiner Fall . 156
5.5 Lineare Netzwerke; Hoch- und Tiefpässe; Frequenzfilter. 158
5.5.1 Hochpass. 158
5.5.2 Tiefpass. 159
5.5.3 Frequenzfilter. 160
5.6 Transformatoren. 161
5.6.1 Unbelasteter Transformator. 162
5.6.2 Belasteter Transformator. 162
5.6.3 Anwendungsbeispiele. 164
5.7 Impedanz-Anpassung bei Wechselstromkreisen. 165
5.8 Gleichrichtung. 165
5.8.1 Einweggleichrichtung. 166
5.8.2 Zweiweggleichrichtung. 166
5.8.3 Brückenschaltung. 167
5.8.4 Kaskadenschaltung. 168
5.9 Elektronenröhren . 168
5.9.1 Vakuum-Dioden. 169
5.9.2 Triode. 169
Zusammenfassung. 170
Übungsaufgaben . 171
6. Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung
elektromagnetischer Wellen
ШШЕЕЕЕШЯШЕЕЕНЕШШШЯШЕЕЕЕШЕЕШЕ/ШШ^Ш
6.1 Der elektromagnetische Schwingkreis. 173
6.1.1 Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen. 174
6.1.2 Erzwungene Schwingungen. 175
6.2 Gekoppelte Schwingkreise. 176
6.3 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen. 178
6.4 Offene Schwingkreise; Hertzscher Dipol . 180
6.4.1 Experimentelle Realisierung eines Senders. 181
6.4.2 Das elektromagnetische Feld des schwingenden Dipols . 182
Inhaltsverzeichnis
XV
6.5 Die Abstrahlung des schwingenden Dipols . 187
6.5.1 Die abgestrahlte Leistung . 187
6.5.2 Strahlungsdämpfung. 188
6.5.3 Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung . 189
6.5.4 Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung. 190
Zusammenfassung. 192
Übungsaufgaben . 193
7. Elektromagnetische Wellen im Vakuum
^ШШ^Ш^ШЕШЕЕШ^ШШЕШШ
7.1 Die Wellengleichung . 195
7.2 Ebene elektrische Wellen . 196
7.3 Periodische Wellen. 197
7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen. 198
7.4.1 Linear polarisierte Wellen . 198
7.4.2 Zirkular polarisierte Wellen . 198
7.4.3 Elliptisch polarisierte Wellen . 199
7.4.4 Unpolarisierte Wellen. 199
7.5 Das Magnetfeld elektromagnetischer Wellen. 199
7.6 Energie- und Impulstransport durch elektromagnetische Wellen . 200
7.7 Messung der Lichtgeschwindigkeit . 204
7.7.1 Die astronomische Methode von
Ole
R0mer . 204
7.7.2 Die Zahnradmethode von Fizeau. 205
7.7.3 Phasenmethode . 205
7.7.4 Bestimmung von
с
aus der Messung von Frequenz
und Wellenlänge . 206
7.8 Stehende elektromagnetische Wellen. 206
7.8.1 Eindimensionale stehende Wellen. 206
7.8.2 Dreidimensionale stehende Wellen;
Hohlraumresonatoren. 207
*7.9 Wellen in Wellenleitern und Kabeln. 210
7.9.1 Wellen zwischen zwei planparallelen leitenden Platten . 210
7.9.2 Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. 212
7.9.3 Drahtwellen; Lecherleitung; Koaxialkabel . 215
7.9.4 Beispiele für Wellenleiter . 217
7.10 Das elektromagnetische Frequenzspektrum. 218
Zusammenfassung. 220
Übungsaufgaben . 221
8. Elektromagnetische Wellen in Materie ■^^■■^■■¡■■■¡■■■■H
8.1 Brechungsindex. 223
8.1.1 Makroskopische Beschreibung. 224
8.1.2 Mikroskopisches Modell. 224
8.2 Absorption und Dispersion. 227
8.3 Wellengleichung für elektromagnetische Wellen in Materie. 231
8.3.1 Wellen in nichtleitenden Medien. 231
8.3.2 Wellen in leitenden Medien . 232
8.3.3 Die elektromagnetische Energie von Wellen in Medien . 234
XVI Inhaltsverzeichnis
8.4 Wellen an Grenzflächen zwischen zwei Medien. 235
8.4.1 Randbedingungen für elektrische
und magnetische Feldstärke . 236
8.4.2 Reflexions- und Brechungsgesetz . 236
8.4.3 Amplitude und Polarisation von reflektierten
und gebrochenen Wellen . 237
8.4.4 Reflexions- und Transmissionsvermögen
einer Grenzfläche. 238
8.4.5 Brewsterwinkel . 240
8.4.6 Totalreflexion. 241
8.4.7 Änderung der Polarisation bei schrägem Lichteinfall. 242
8.4.8 Phasenänderung bei der Reflexion. 243
8.4.9 Reflexion an Metalloberflächen. 244
*8.4.10 Medien mit negativem Brechungsindex. 245
8.5 Lichtausbreitung in nichtisotropen Medien;
Doppelbrechung. 246
8.5.1 Ausbreitung von Lichtwellen
in anisotropen Medien. 247
8.5.2 Brechungsindex-Ellipsoid. 249
8.5.3 Doppelbrechung . 251
8.6 Erzeugung und Anwendung von polarisiertem Licht. 253
8.6.1 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
durch Reflexion. 254
8.6.2 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
beim Durchgang durch dichroitische Kristalle. 254
8.6.3 Doppelbrechende Polarisatoren. 255
8.6.4 Polarisationsdreher. 257
8.6.5 Optische Aktivität. 257
8.6.6 Spannungsdoppelbrechung. 259
8.7 Nichtlineare Optik . 260
8.7.1 Optische Frequenzverdopplung. 261
8.7.2 Phasenanpassung. 261
8.7.3 Optische Frequenzmischung. 262
Zusammenfassung. 264
Übungsaufgaben . 265
9. Geometrische Optik
Ш^ИЕШ^ШШ^ШШЕЕ^^ШШШШШШШ/ШШШ
9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik. 268
9.2 Die optische Abbildung. 269
9.3 Hohlspiegel . 270
9.4 Prismen. 274
9.5 Linsen . 275
9.5.1 Brechung an einer gekrümmten Fläche . 276
9.5.2 Dünne Linsen. 277
9.5.3 Dicke Linsen . 280
9.5.4 Linsensysteme. 281
9.5.5 Zoom-Linsensysteme. 283
Inhaltsverzeichnis XVII
9.5.6 Linsenfehler. 283
9.5.7 Die aplanatische Abbildung . 292
9.5.8 Asphärische Linsen. 293
9.6 Matrixmethoden der geometrischen Optik . 294
9.6.1 Die Translationsmatrix. 294
9.6.2 Die Brechungsmatrix . 294
9.6.3 Die Reflexionsmatrix . 295
9.6.4 Transformationsmatrix einer Linse. 295
9.6.5 Abbildungsmatrix. 296
9.6.6 Matrizen von Linsensystemen . 297
9.6.7 Jones-Vektoren. 297
9.7 Geometrische Optik der Erdatmosphäre . 299
9.7.1 Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre. 299
9.7.2 Scheinbare Größe des aufgehenden Mondes. 301
9.7.3
Fata Morgana.
301
9.7.4 Regenbogen . 302
Zusammenfassung. 304
Übungsaufgaben . 305
10. Interferenz, Beugung und Streuung ■■^■■■■^■■■■■■■■■■H
10.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz . 307
10.2 Erzeugung und Überlagerung kohärenter Wellen . 309
10.3 Experimentelle Realisierung der Zweistrahl-Interferenz. 310
10.3.1 Fresnelscher Spiegelversuch. 310
í
0.3.2 Youngscher Doppelspaltversuch . 311
10.3.3 Interferenz an einer planparallelen Platte. 312
10.3.4 Michelson-Interferometer. 313
10.3.5 Das Michelson-Morley-Experiment. 315
10.3.6 Sagnac-Interferometer. 318
10.3.7 Mach-Zehnder
Interferometer
. 319
10.4 Vielstrahl-Interferenz. 319
10.4.1
Fabry-Pérot-Interferometer
. 322
10.4.2 Dielektrische Spiegel . 325
10.4.3 Antireflexschicht. 326
10.4.4 Anwendungen der
Interferometrie
. 327
10.5 Beugung . 328
10.5.1 Beugung als Interferenzphänomen . 329
10.5.2 Beugung am Spalt. 330
10.5.3 Beugungsgitter. 332
10.6 Fraunhofer- und Fresnel-Beugung . 336
10.6.1 Fresnelsche Zonen . 336
10.6.2 Fresnelsche Zonenplatte . 339
* 10.7 Allgemeine Behandlung der Beugung. 340
10.7.1 Das Beugungsintegral. 340
10.7.2 Fresnel- und Fraunhofer-Beugung an einem Spalt. 341
10.7.3 Fresnel-Beugung an einer Kante . 342
10.7.4 Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Öffnung. 342
XVIII
Inhaltsverzeichnis
10.7.5 Babinetsches Theorem. 343
* 10.8 Fourierdarstellung der Beugung . 345
10.8.1
Fourier-Transformation
. 345
10.8.2 Anwendung auf Beugungsprobleme. 346
10.9 Lichtstreuung. 347
10.9.1 Kohärente und inkohärente Streuung. 347
10.9.2 Streuquerschnitte. 349
10.9.3 Streuung an
Mikropartikeln;
Mie-Streuung. 350
10.10 Atmosphären-Optik. 350
10.10.1 Lichtstreuung in unserer Atmosphäre. 350
10.10.2 Halo-Erscheinungen. 353
10.10.3 Aureole um den Mond. 353
Zusammenfassung. 354
Übungsaufgaben . 355
11. Optische Instrumente ■■■■■■■^^^■■■■^^^^■■■¡¡■■B
11.1 Das Auge . 357
11.1.1 Aufbau des Auges. 357
11.1.2 Kurz- und Weitsichtigkeit. 359
11.1.3 Räumliche Auflösung und Empfindlichkeit des Auges . 359
11.2 Vergrößernde optische Instrumente . 360
11.2.1 Die Lupe. 361
11.2.2 Das Mikroskop. 362
11.2.3 Das Fernrohr. 364
11.3 Die Rolle der Beugung bei optischen Instrumenten. 366
11.3.1 Auflösungsvermögen des Fernrohrs. 366
11.3.2 Auflösungsvermögen des Auges. 368
11.3.3 Auflösungsvermögen des Mikroskops. 368
11.3.4 Abbesche Theorie der Abbildung. 370
11.4 Die Lichtstärke optischer Instramente. 371
11.5 Spektrographen und Monochromatoren. 372
11.5.1 Prismenspektrographen. 373
11.5.2 Gittermonochromator. 374
11.5.3 Das spektrale Auflösungsvermögen
von Spektrographen . 374
11.5.4 Ein allgemeiner Ausdruck
für das spektrale Auflösungsvermögen. 378
Zusammenfassung. 379
Übungsaufgaben . 380
12. Neue Techniken in der Optik
ШШШЕШ^ШЕЕЕШЕШІЕШШЕЕШШШЕЕІШЕЕІЕЕЕІШЕШ
12.1 Konfokale Mikroskopie. 381
12.2 Optische Nahfeldmikroskopie. 383
12.3 Aktive und
adaptive
Optik . 384
12.3.1 Aktive Optik. 384
12.3.2
Adaptive
Optik. 385
12.3.3
Interferometrie
in der Astronomie. 387
Inhaltsverzeichnis XIX
12.4 Holographie. 387
12.4.1 Aufnahme eines Hologramms . 388
12.4.2 Die Rekonstruktion des Wellenfeldes. 390
12.4.3 Weißlichtholographie. 391
12.4.4 Holographische
Interferometrie
. 392
12.4.5 Anwendungen der Holographie. 394
* 12.5 Fourieroptik. 395
12.5.1 Die Linse als Fouriertransformator. 395
12.5.2 Optische Filterung. 397
12.5.3 Optische Mustererkennung. 399
*12.6
Mikrooptik
. 400
12.6.1 Diffraktive Optik. 400
12.6.2 Fresnel-Linse und Linsenarrays. 402
12.6.3 Herstellung diffraktiver Optik . 403
12.6.4 Refraktive
Mikrooptik
. 404
* 12.7 Optische Wellenleiter und integrierte Optik. 404
12.7.1 Lichtausbreitung in optischen Wellenleitern. 404
12.7.2 Lichtmodulation . 406
12.7.3 Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern. 407
12.7.4 Integrierte optische Elemente. 408
12.8 Optische Lichtleitfasern . 408
12.8.1 Lichtausbreitung in optischen Lichtleiterfasern. 409
12.8.2 Absorption in optischen Fasern . 410
12.8.3 Pulsausbreitung in Fasern . 411
12.8.4 Nichtlineare Pulsausbreitung; Solitonen . 413
12.9 Optische Nachrichtenübertragung. 414
Zusammenfassung. 415
Übungsaufgaben . 416
Lösungen der Übungsaufgaben . 417
Farbtafeln . 473
Literaturverzeichnis. 481
Sachwortverzeichnis. 487 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1. Elektrostatik
1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz. 1
1.2 Das elektrische Feld. 5
1.2.1 Elektrische Feldstärke . 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 Äquipotentialflächen. 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 . 17
1.5 Leiter im elektrischen Feld. 18
1.5.1 Influenz . 18
1.5.2 Kondensatoren. 20
1.6 Die Energie des elektrischen Feldes. 23
1.7 Dielektrika im elektrischen Feld. 24
1.7.1 Dielektrische Polarisation. 25
1.7.2 Polarisationsladungen. 25
* 1.7.3 Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes
in Materie . 27
1.7.4 Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum. 30
1.8 Die atomaren Grundlagen von Ladungen
und elektrischen Momenten. 31
1.8.1 Der Millikan-Versuch. 31
1.8.2 Ablenkung von Elektronen und Ionen
in elektrischen Feldern. 32
1.8.3 Molekulare Dipolmomente. 33
1.9 Elektrostatik in Natur und Technik. 36
1.9.1 Reibungselektrizität und Kontaktpotential. 36
1.9.2 Das elektrische Feld der Erde
und ihrer Atmosphäre. 37
1.9.3 Die Entstehung von Gewittern. 37
1.9.4 Kugelblitze. 38
XII Inhaltsverzeichnis
1.9.5 Elektrostatische Staubfilter. 39
1.9.6 Elektrostatische Farbbeschichtung . 39
1.9.7 Elektrostatische Kopierer und Drucker. 40
Zusammenfassung. 41
Übungsaufgaben . 42
2. Der elektrische Strom
ШЕЕЕШШШШШЕЕІ^ШЕШШ^ШЕЕШШШЕЕШШЕШЕ^^Ш
2.1 Strom als Ladungstransport. 45
2.2 Elektrischer Widerstand und Ohmsches Gesetz. 47
2.2.1 Driftgeschwindigkeit und Stromdichte. 47
2.2.2 Das Ohmsche Gesetz. 49
2.2.3 Beispiele für die Anwendung des Ohmschen Gesetzes . 50
2.2.4 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes
fester Körper; Supraleitung. 52
2.3 Stromleistung und Joulesche Wärme. 56
2.4 Netzwerke; Kirchhoffsche Regeln . 57
2.4.1 Reihenschaltung von Widerständen . 58
2.4.2 Parallelschaltung von Widerständen. 58
2.4.3 Wheatstonesche Brückenschaltung. 59
2.5 Messverfahren für elektrische Ströme. 59
2.5.1 Strommessgeräte. 59
2.5.2 Schaltung von Amperemetern . 61
2.5.3 Strommessgeräte als Voltmeter . 62
2.6 Ionenleitung in Flüssigkeiten. 62
2.7 Stromtransport in Gasen; Gasentladungen . 64
2.7.1 Ladungsträgerkonzentration. 64
2.7.2 Erzeugungsmechanismen für Ladungsträger. 64
2.7.3 Strom-Spannungs-Kennlinie. 65
2.7.4 Mechanismus von Gasentladungen. 67
2.7.5 Verschiedene Typen von Gasentladungen. 69
2.8 Stromquellen . 71
2.8.1 Innenwiderstand einer Stromquelle. 71
2.8.2 Galvanische Elemente . 72
2.8.3 Akkumulatoren . 74
2.8.4 Verschiedene Typen von Batterien . 75
2.8.5 Chemische Brennstoffzellen. 76
2.9 Thermische Stromquellen. 77
2.9.1 Kontaktpotential . 77
2.9.2 Der Seebeek-Effekt. 78
2.9.3 Thermoelektrische Spannung. 78
2.9.4 Peltier-Effekt . 80
Zusammenfassung. 81
Übungsaufgaben . 82
3. Statische Magnetfelder ■■^■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■1
3.1 Permanentmagnete. 85
3.2 Magnetfelder stationärer Ströme. 87
Inhaltsverzeichnis XIII
3.2.1 Magnetischer Kraftfluss und magnetische Spannung. 87
3.2.2 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters . 88
3.2.3 Magnetfeld im Inneren einer lang gestreckten Spule . 89
3.2.4 Das Vektorpotential . 89
3.2.5 Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung;
Biot-Savart-Gesetz . 90
3.2.6 Beispiele zur Berechnung von magnetischen Feldern
spezieller Stromanordnungen. 91
3.3 Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld . 96
3.3.1 Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld. 97
3.3.2 Kräfte zwischen zwei parallelen Stromleitern . 98
3.3.3 Experimentelle Demonstration der Lorentzkraft. 98
3.3.4 Elektronen- und Ionenoptik mit Magnetfeldern. 99
3.3.5 Hall-Effekt . 101
3.3.6 Das Barlowsche Rad zur Demonstration
der „Elektronenreibung" in Metallen . 102
*3.4 Elektromagnetisches Feld und Relativitätsprinzip. 103
3.4.1 Das elektrische Feld einer bewegten Ladung. 103
3.4.2 Zusammenhang zwischen elektrischem
und magnetischem Feld. 105
3.4.3 Relativistische Transformation von Ladungsdichte
und Strom. 106
3.4.4 Transformationsgleichungen
für das elektromagnetische Feld. 108
3.5 Materie im Magnetfeld . 109
3.5.1 Magnetische Dipole . 109
3.5.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität. 111
3.5.3 Diamagnetismus . 113
3.5.4 Paramagnetismus. 114
3.5.5 Ferromagnetismus. 114
3.5.6
Antiferro-,
Ferrimagnete und
Ferrite
. 118
*3.5.7 Feldgleichungen in Materie . 119
3.5.8
Elektromagnete
. 120
3.6 Das Magnetfeld der Erde . 121
Zusammenfassung. 123
Übungsaufgaben . 124
Zeitlich veränderliche Felder
4.1 Faradaysches Induktionsgesetz. 127
4.2 Lenzsche Regel. 130
4.2.1 Durch Induktion angefachte Bewegung. 131
4.2.2 Elektromagnetische Schleuder. 131
4.2.3 Magnetische
Lévitation
. 131
4.2.4 Wirbelströme . 132
4.3 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion. 132
4.3.1 Selbstinduktion . 132
4.3.2 Gegenseitige Induktion . 136
XIV Inhaltsverzeichnis
4.4 Die Energie des magnetischen Feldes . 138
4.5 Der Verschiebungsstrom. 138
4.6 Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale. 140
Zusammenfassung. 143
Übungsaufgaben. 143
'5. Elektrotechnische Anwendungen
ШШІШЕШЕШШЕШШЕШШЕШШШШШ/ШШ
5.1 Elektrische Generatoren und Motoren. 145
5.1.1 Gleichstrommaschinen. 147
5.1.2 Wechselstromgeneratoren. 150
5.2 Wechselstrom. 151
5.3 Mehrphasenstrom; Drehstrom. 152
5.4 Wechselstromkreise mit komplexen Widerständen;
Zeigerdiagramme. 155
5.4.1 Wechselstromkreis mit Induktivität. 155
5.4.2 Wechselstromkreis mit Kapazität . 156
5.4.3 Allgemeiner Fall . 156
5.5 Lineare Netzwerke; Hoch- und Tiefpässe; Frequenzfilter. 158
5.5.1 Hochpass. 158
5.5.2 Tiefpass. 159
5.5.3 Frequenzfilter. 160
5.6 Transformatoren. 161
5.6.1 Unbelasteter Transformator. 162
5.6.2 Belasteter Transformator. 162
5.6.3 Anwendungsbeispiele. 164
5.7 Impedanz-Anpassung bei Wechselstromkreisen. 165
5.8 Gleichrichtung. 165
5.8.1 Einweggleichrichtung. 166
5.8.2 Zweiweggleichrichtung. 166
5.8.3 Brückenschaltung. 167
5.8.4 Kaskadenschaltung. 168
5.9 Elektronenröhren . 168
5.9.1 Vakuum-Dioden. 169
5.9.2 Triode. 169
Zusammenfassung. 170
Übungsaufgaben . 171
6. Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung
elektromagnetischer Wellen
ШШЕЕЕЕШЯШЕЕЕНЕШШШЯШЕЕЕЕШЕЕШЕ/ШШ^Ш
6.1 Der elektromagnetische Schwingkreis. 173
6.1.1 Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen. 174
6.1.2 Erzwungene Schwingungen. 175
6.2 Gekoppelte Schwingkreise. 176
6.3 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen. 178
6.4 Offene Schwingkreise; Hertzscher Dipol . 180
6.4.1 Experimentelle Realisierung eines Senders. 181
6.4.2 Das elektromagnetische Feld des schwingenden Dipols . 182
Inhaltsverzeichnis
XV
6.5 Die Abstrahlung des schwingenden Dipols . 187
6.5.1 Die abgestrahlte Leistung . 187
6.5.2 Strahlungsdämpfung. 188
6.5.3 Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung . 189
6.5.4 Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung. 190
Zusammenfassung. 192
Übungsaufgaben . 193
7. Elektromagnetische Wellen im Vakuum
^ШШ^Ш^ШЕШЕЕШ^ШШЕШШ
7.1 Die Wellengleichung . 195
7.2 Ebene elektrische Wellen . 196
7.3 Periodische Wellen. 197
7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen. 198
7.4.1 Linear polarisierte Wellen . 198
7.4.2 Zirkular polarisierte Wellen . 198
7.4.3 Elliptisch polarisierte Wellen . 199
7.4.4 Unpolarisierte Wellen. 199
7.5 Das Magnetfeld elektromagnetischer Wellen. 199
7.6 Energie- und Impulstransport durch elektromagnetische Wellen . 200
7.7 Messung der Lichtgeschwindigkeit . 204
7.7.1 Die astronomische Methode von
Ole
R0mer . 204
7.7.2 Die Zahnradmethode von Fizeau. 205
7.7.3 Phasenmethode . 205
7.7.4 Bestimmung von
с
aus der Messung von Frequenz
und Wellenlänge . 206
7.8 Stehende elektromagnetische Wellen. 206
7.8.1 Eindimensionale stehende Wellen. 206
7.8.2 Dreidimensionale stehende Wellen;
Hohlraumresonatoren. 207
*7.9 Wellen in Wellenleitern und Kabeln. 210
7.9.1 Wellen zwischen zwei planparallelen leitenden Platten . 210
7.9.2 Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt. 212
7.9.3 Drahtwellen; Lecherleitung; Koaxialkabel . 215
7.9.4 Beispiele für Wellenleiter . 217
7.10 Das elektromagnetische Frequenzspektrum. 218
Zusammenfassung. 220
Übungsaufgaben . 221
8. Elektromagnetische Wellen in Materie ■^^■■^■■¡■■■¡■■■■H
8.1 Brechungsindex. 223
8.1.1 Makroskopische Beschreibung. 224
8.1.2 Mikroskopisches Modell. 224
8.2 Absorption und Dispersion. 227
8.3 Wellengleichung für elektromagnetische Wellen in Materie. 231
8.3.1 Wellen in nichtleitenden Medien. 231
8.3.2 Wellen in leitenden Medien . 232
8.3.3 Die elektromagnetische Energie von Wellen in Medien . 234
XVI Inhaltsverzeichnis
8.4 Wellen an Grenzflächen zwischen zwei Medien. 235
8.4.1 Randbedingungen für elektrische
und magnetische Feldstärke . 236
8.4.2 Reflexions- und Brechungsgesetz . 236
8.4.3 Amplitude und Polarisation von reflektierten
und gebrochenen Wellen . 237
8.4.4 Reflexions- und Transmissionsvermögen
einer Grenzfläche. 238
8.4.5 Brewsterwinkel . 240
8.4.6 Totalreflexion. 241
8.4.7 Änderung der Polarisation bei schrägem Lichteinfall. 242
8.4.8 Phasenänderung bei der Reflexion. 243
8.4.9 Reflexion an Metalloberflächen. 244
*8.4.10 Medien mit negativem Brechungsindex. 245
8.5 Lichtausbreitung in nichtisotropen Medien;
Doppelbrechung. 246
8.5.1 Ausbreitung von Lichtwellen
in anisotropen Medien. 247
8.5.2 Brechungsindex-Ellipsoid. 249
8.5.3 Doppelbrechung . 251
8.6 Erzeugung und Anwendung von polarisiertem Licht. 253
8.6.1 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
durch Reflexion. 254
8.6.2 Erzeugung von linear polarisiertem Licht
beim Durchgang durch dichroitische Kristalle. 254
8.6.3 Doppelbrechende Polarisatoren. 255
8.6.4 Polarisationsdreher. 257
8.6.5 Optische Aktivität. 257
8.6.6 Spannungsdoppelbrechung. 259
8.7 Nichtlineare Optik . 260
8.7.1 Optische Frequenzverdopplung. 261
8.7.2 Phasenanpassung. 261
8.7.3 Optische Frequenzmischung. 262
Zusammenfassung. 264
Übungsaufgaben . 265
9. Geometrische Optik
Ш^ИЕШ^ШШ^ШШЕЕ^^ШШШШШШШ/ШШШ
9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik. 268
9.2 Die optische Abbildung. 269
9.3 Hohlspiegel . 270
9.4 Prismen. 274
9.5 Linsen . 275
9.5.1 Brechung an einer gekrümmten Fläche . 276
9.5.2 Dünne Linsen. 277
9.5.3 Dicke Linsen . 280
9.5.4 Linsensysteme. 281
9.5.5 Zoom-Linsensysteme. 283
Inhaltsverzeichnis XVII
9.5.6 Linsenfehler. 283
9.5.7 Die aplanatische Abbildung . 292
9.5.8 Asphärische Linsen. 293
9.6 Matrixmethoden der geometrischen Optik . 294
9.6.1 Die Translationsmatrix. 294
9.6.2 Die Brechungsmatrix . 294
9.6.3 Die Reflexionsmatrix . 295
9.6.4 Transformationsmatrix einer Linse. 295
9.6.5 Abbildungsmatrix. 296
9.6.6 Matrizen von Linsensystemen . 297
9.6.7 Jones-Vektoren. 297
9.7 Geometrische Optik der Erdatmosphäre . 299
9.7.1 Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre. 299
9.7.2 Scheinbare Größe des aufgehenden Mondes. 301
9.7.3
Fata Morgana.
301
9.7.4 Regenbogen . 302
Zusammenfassung. 304
Übungsaufgaben . 305
10. Interferenz, Beugung und Streuung ■■^■■■■^■■■■■■■■■■H
10.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz . 307
10.2 Erzeugung und Überlagerung kohärenter Wellen . 309
10.3 Experimentelle Realisierung der Zweistrahl-Interferenz. 310
10.3.1 Fresnelscher Spiegelversuch. 310
í
0.3.2 Youngscher Doppelspaltversuch . 311
10.3.3 Interferenz an einer planparallelen Platte. 312
10.3.4 Michelson-Interferometer. 313
10.3.5 Das Michelson-Morley-Experiment. 315
10.3.6 Sagnac-Interferometer. 318
10.3.7 Mach-Zehnder
Interferometer
. 319
10.4 Vielstrahl-Interferenz. 319
10.4.1
Fabry-Pérot-Interferometer
. 322
10.4.2 Dielektrische Spiegel . 325
10.4.3 Antireflexschicht. 326
10.4.4 Anwendungen der
Interferometrie
. 327
10.5 Beugung . 328
10.5.1 Beugung als Interferenzphänomen . 329
10.5.2 Beugung am Spalt. 330
10.5.3 Beugungsgitter. 332
10.6 Fraunhofer- und Fresnel-Beugung . 336
10.6.1 Fresnelsche Zonen . 336
10.6.2 Fresnelsche Zonenplatte . 339
* 10.7 Allgemeine Behandlung der Beugung. 340
10.7.1 Das Beugungsintegral. 340
10.7.2 Fresnel- und Fraunhofer-Beugung an einem Spalt. 341
10.7.3 Fresnel-Beugung an einer Kante . 342
10.7.4 Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Öffnung. 342
XVIII
Inhaltsverzeichnis
10.7.5 Babinetsches Theorem. 343
* 10.8 Fourierdarstellung der Beugung . 345
10.8.1
Fourier-Transformation
. 345
10.8.2 Anwendung auf Beugungsprobleme. 346
10.9 Lichtstreuung. 347
10.9.1 Kohärente und inkohärente Streuung. 347
10.9.2 Streuquerschnitte. 349
10.9.3 Streuung an
Mikropartikeln;
Mie-Streuung. 350
10.10 Atmosphären-Optik. 350
10.10.1 Lichtstreuung in unserer Atmosphäre. 350
10.10.2 Halo-Erscheinungen. 353
10.10.3 Aureole um den Mond. 353
Zusammenfassung. 354
Übungsaufgaben . 355
11. Optische Instrumente ■■■■■■■^^^■■■■^^^^■■■¡¡■■B
11.1 Das Auge . 357
11.1.1 Aufbau des Auges. 357
11.1.2 Kurz- und Weitsichtigkeit. 359
11.1.3 Räumliche Auflösung und Empfindlichkeit des Auges . 359
11.2 Vergrößernde optische Instrumente . 360
11.2.1 Die Lupe. 361
11.2.2 Das Mikroskop. 362
11.2.3 Das Fernrohr. 364
11.3 Die Rolle der Beugung bei optischen Instrumenten. 366
11.3.1 Auflösungsvermögen des Fernrohrs. 366
11.3.2 Auflösungsvermögen des Auges. 368
11.3.3 Auflösungsvermögen des Mikroskops. 368
11.3.4 Abbesche Theorie der Abbildung. 370
11.4 Die Lichtstärke optischer Instramente. 371
11.5 Spektrographen und Monochromatoren. 372
11.5.1 Prismenspektrographen. 373
11.5.2 Gittermonochromator. 374
11.5.3 Das spektrale Auflösungsvermögen
von Spektrographen . 374
11.5.4 Ein allgemeiner Ausdruck
für das spektrale Auflösungsvermögen. 378
Zusammenfassung. 379
Übungsaufgaben . 380
12. Neue Techniken in der Optik
ШШШЕШ^ШЕЕЕШЕШІЕШШЕЕШШШЕЕІШЕЕІЕЕЕІШЕШ
12.1 Konfokale Mikroskopie. 381
12.2 Optische Nahfeldmikroskopie. 383
12.3 Aktive und
adaptive
Optik . 384
12.3.1 Aktive Optik. 384
12.3.2
Adaptive
Optik. 385
12.3.3
Interferometrie
in der Astronomie. 387
Inhaltsverzeichnis XIX
12.4 Holographie. 387
12.4.1 Aufnahme eines Hologramms . 388
12.4.2 Die Rekonstruktion des Wellenfeldes. 390
12.4.3 Weißlichtholographie. 391
12.4.4 Holographische
Interferometrie
. 392
12.4.5 Anwendungen der Holographie. 394
* 12.5 Fourieroptik. 395
12.5.1 Die Linse als Fouriertransformator. 395
12.5.2 Optische Filterung. 397
12.5.3 Optische Mustererkennung. 399
*12.6
Mikrooptik
. 400
12.6.1 Diffraktive Optik. 400
12.6.2 Fresnel-Linse und Linsenarrays. 402
12.6.3 Herstellung diffraktiver Optik . 403
12.6.4 Refraktive
Mikrooptik
. 404
* 12.7 Optische Wellenleiter und integrierte Optik. 404
12.7.1 Lichtausbreitung in optischen Wellenleitern. 404
12.7.2 Lichtmodulation . 406
12.7.3 Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern. 407
12.7.4 Integrierte optische Elemente. 408
12.8 Optische Lichtleitfasern . 408
12.8.1 Lichtausbreitung in optischen Lichtleiterfasern. 409
12.8.2 Absorption in optischen Fasern . 410
12.8.3 Pulsausbreitung in Fasern . 411
12.8.4 Nichtlineare Pulsausbreitung; Solitonen . 413
12.9 Optische Nachrichtenübertragung. 414
Zusammenfassung. 415
Übungsaufgaben . 416
Lösungen der Übungsaufgaben . 417
Farbtafeln . 473
Literaturverzeichnis. 481
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