Physik – Fundament der Technik

Physik – Fundament der Technik
verfasst von
Studiendirektor Dipl.-Phys. Wolfgang Körner, Leipzig (Federführender)
Fachschuldozent Dipl.-Phys. Günther Kiessling, Zittau
Fachschuldozent Dipl.-Phys. Dietmar Mende, Riesa
Fachschuldozent Dipl.-Gwl. Hellmut Spretke, Halle/Saale
unter Mitarbeit von Dipl.-Phys. Ewald Hausmann, Karl-Marx-Stadt
3. Auflage, 426 Bilder, 71 Lehrbeispiele, 225 Übungen mit Ergebnissen und
einer Beilage
VEB Fachbuchverlag Leipzig
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1. Zur Entwicklung der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Physikalische Grössen und Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.1. Grössen, Grössenarten und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2. Vektorgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3 Grössensysteme und Einheitensysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.4. Physikalische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3. Hinweise zum Rechnen mit Näherungswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4. Tabellen und grafische Darstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5. Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2. Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2. Grundlagen der Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1. Relativität der Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2. Arten und Formen der Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3. Definitionen der kinematischen Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1. Länge und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2.1. Geschwindigkeit und Beschleunigung als Durch schnittsgrössen . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung als Momentan grössen . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.3. Grössen der Kreis- und Drehbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.3.1. Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.3.2. Frequenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.3.3. Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. Spezielle Bewegungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1. Geradlinige Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1.1. Allgemeiner Fall der geradlinigen Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1.2. Gleichmässig beschleunigte Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.2. Krummlinige Bewegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.2.1. Allgemeiner Fall der krummlinigen Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1

2.4.2.2. Tangential- und Normalbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.2.3. Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.2.4. Wurfbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3. Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2. Dynamik des Massenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1. Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.1. Definition der Masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.2. Relativistische Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.2. Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2.1. Der Kraftbegriff in der Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2.2. Definition der Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2.3. Wechselwirkungsprinzip und Kräftegleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.2.4. Zwangskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.2.5. Schwerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.2.6. Federkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.2.7. Reibungskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2.8. Trägheitskraft bei geradliniger Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.3. Arbeit, Energie, Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.3.1. Mechanische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.3.2. Energieerhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.3.3. Verschiebungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.3.4. Beschleunigungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.3.5. Leistung und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.4. Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.4.1. Impulserhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.4.2. Kraftstoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.4.3. Stossvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3. Dynamik des starren Körpers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.1. Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.2. Massenträgheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.3. Grössen und Gleichungen der Rotation des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.3.1. Dynamisches Grundgesetz der Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.3.2. Arbeit, Energie, Leistung bei Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.3.3. Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.3.4. Radialkraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.3.5. Zentrifugalkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.3.6. Corioliskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4. Mechanik der Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.1. Allgemeine Eigenschaften der Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2. Ruhende Flüssigkeiten und Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.3. Strömende Flüssigkeiten und Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5. Kinetische Theorie der Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2

5.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2. Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.1. Molekularer Aufbau der Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.1.1. Brownsche Molekularbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.1.2. Relative Molekülmasse und Kilomol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2.1.3. Spezifische Molekülzahl und Avogadro-Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2.1.4. Spezifisches Volumen und Molvolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.2. Wahrscheinlichkeit und Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.2.1. Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.2.2. Wahrscheinlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.2.3. Schwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.2.2.4. Stosszahl und mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.3. Das ideale Gas als Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.3.1. Eigenschaften des idealen Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.3.2. Gasdruck als Summenwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4. Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.1. Gesetz von Boyle und Mariotte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4.2. Freiheitsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4.3. Gleichverteilungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4.4. Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.4.5. Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.4.6. Geschwindigkeit der Gasmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.6.1. Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.6.2. Statistische Mittelwerte der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6. Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2. Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.3. Mischungsvorgänge und Energieumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.1. Kalorimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.2. Umwandlung einiger Energiearten in Wärmeenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.3.3. Erster Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.4. Zustandsänderungen des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4.1. Übersicht über die verschiedenen Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4.2. Isotherme Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4.3. Isochore Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.4.4. Isobare Zustandsänderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.4.5. Die spezifischen Wärmekapazitäten des idealen Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.4.6. Adiabatische Zustandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.4.7. Polytrope Zustandsänderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.5. Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.5.1. Kreisprozesse im p, V-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.5.2. Reversible und irreversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.5.3. Carnot-Prozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3

6.5.4. Thermischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.5.5. Kältemaschine und Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.6. Weitere Betrachtungen zur Energieumwandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.6.1. Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.6.2. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6.3. Entropie und Wahrscheinlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.6.4. Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.7. Phasenänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.7.1. Phasen und Aggregatzustände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.7.2. Umwandlungspunkt und Umwandlungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.7.3. Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.7.4. Zustandsdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.7.5. Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.8. Ausgleichsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.8.1. Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.8.2. Wärmeübergang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8.3. Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8.4. Wärmeströmung (Konvektion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7. Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.1. Vorbemerkungen zur Elektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.2. Einfacher Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.2.1. Die wichtigsten elektrischen Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.2.2. Urspannung und Innenwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3. Verzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3.1. Kirchhoffsche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3.2. Ersatzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.3.3. Anwendungen in der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8. Elektrische und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2. Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2.1. Laden und Entladen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2.2. Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.2.3. Ersatzkapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3. Ruhende elektrische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.3.1. Feldbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.3.2. Feldgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3.3. Inhomogene Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.3.4. Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.3.4.1. Millikan-Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
8.3.4.2. Freie Ladungsträger im elektrischen Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.3.5. Stoff im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.4. Buhende magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.4.1. Grundlegende qualitative Beobachtungen zum Magne tismus . . . . . . . . . . . . . 251
4

8.4.2. Feldgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.4.3. Durchflutungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.5. Induktionsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.5.1. Induktionsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.5.2. Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.5.3. Ein- und Abschaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.5.4. Stoff im magnetischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.5.4.1. Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.5.4.2. Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.5.4.3. Magnetische Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
8.5.5. Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.5.5.1. Freie Ladungsträger im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.5.5.2. Prinzip des Gleichstrommotors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.5.5.3. Prinzip des Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.6. Maxwellsche Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9. Leitungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.2. Leitungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.3. Elektronenstrom durch das Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.1. Freie Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.2. Elektronengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.4. Stromleitung in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.4.1. Unselbständige Gasleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.4.2. Selbständige Gasleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.5. Stromleitung in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.6. Stromleitung durch Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.6.1. Elektronengas im Metallgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.6.2. Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
9.6.2.1. Eigenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
9.6.2.2. Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.6.2.3. Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.6.2.4. pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.6.2.5. Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.6.2.6. Vor- und Nachteile von Halbleiterbauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10. Schwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.2. Kinematik der Sinusschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.2.1. Sinusschwingung und gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.2.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung eines sinusförmig schwingenden Körpers . . . . 311
10.2.3. Anzeige von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.2.4. Überlagerung von Sinusschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.2.4.1. Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenz und gleicher Richtung . . . . . . 315
10.2.4.2. Überlagerung von Schwingungen ungleicher Frequenz und gleicher Richtung . . . . . 317
5

10.2.4.3. Überlagerung von Schwingungen ungleicher Richtung. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.3. Dynamik der Sinusschwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
10.3.1. Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
10.3.1.1. Kraftgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
10.3.1.2. Schwingungsenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.3.1.3. Gedämpfte Schwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
10.3.2. Erzwungene Schwingungen und Resonanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.4. Beispiele für mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.4.1. Feder-Masse-Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.4.2. Torsionspendel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
10.4.3. Physisches Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
10.5. Elektrische Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.6. Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
10.6.1. Sinusförmiger Wechselstrom in Analogie zur mecha nischen Sinusschwingung . . . . 331
10.6.2. Wechselstromwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
10.6.2.1. Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
10.6.2.2. Kapazitiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
10.6.2.3. Induktiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
10.6.2.4. Reihenschaltung von Wirk- und Blindwiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
10.6.3. Leistung im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.6.4. Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11. Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.2. Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.2.1. Wesen der Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.2.2. Wellenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
11.3. Besonderheiten der Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11.3.1. Polarisation von Transversalwellen . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11.3.2. Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11.3.3. Überlagerung von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
11.3.4. Prinzipien von Huygens und von Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
11.3.5. Reflexion, Brechung und Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
11.3.5.1. Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
11.3.5.2. Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
11.3.5.3. Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
11.3.5.4. Beugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
11.3.6. Stehende Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
11.3.6.1. Stehende Seilwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
11.3.6.2. Schwingungen von Saiten, Stäben und Luftsäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
11.4. Wellenfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
11.4.1. Kinematische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
11.4.2. Energetische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
11.5. Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6

11.5.1. Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
11.5.2. Physikalische Grössen des Schallfeldes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
11.5.3. Absoluter Schallpegel und Lautstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.5.4. Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.6. Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.6.1. Physikalische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.6.2. Spektrum elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
11.6.3. Besonderheiten bei der Ausbreitung von Lichtwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
11.6.4. Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
11.6.5. Fotometrische Grössen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
12. Quanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.2. Absorption und Emission elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.2.1. Grundvorstellungen der Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
12.2.2. Bohrsches Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
12.2.3. Absorption elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
12.2.4. Emission elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.2.4.1. Spontane Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
12.2.4.2. Induzierte Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
12.3. Dualismus Welle-Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
12.3.1. Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
12.3.2. De-Broglie-Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
12.3.3. Elektronenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
12.3.4. Heisenbergsche Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
12.4. Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
12.4.1. Reflexion, Absorption, Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
12.4.2. Schwarzer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
12.4.3. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
12.4.4. Plancksches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
12.4.5. Wiensches Verschiebungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
12.4.6. Stefan-Boltzmannsches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
13. Kernprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.2. Elementarteilchen und Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.3. Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
13.3.1. Radioaktive Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
13.3.2. Tröpfchenmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
13.3.3. Zerfallsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
13.4. Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
13.4.1. Spaltprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
13.4.2. Kettenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
13.4.3. Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
13.5. Energiewirtschaft der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
7

Ergebnisse zu den Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
Namenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
8