Physik – Fundament der Technik
Physik – Fundament der Technik
Physik – Fundament der Technik
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Physik</strong> <strong>–</strong> <strong>Fundament</strong> <strong>der</strong> <strong>Technik</strong><br />
verfasst von<br />
Studiendirektor Dipl.-Phys. Wolfgang Körner, Leipzig (Fe<strong>der</strong>führen<strong>der</strong>)<br />
Fachschuldozent Dipl.-Phys. Günther Kiessling, Zittau<br />
Fachschuldozent Dipl.-Phys. Dietmar Mende, Riesa<br />
Fachschuldozent Dipl.-Gwl. Hellmut Spretke, Halle/Saale<br />
unter Mitarbeit von Dipl.-Phys. Ewald Hausmann, Karl-Marx-Stadt<br />
3. Auflage, 426 Bil<strong>der</strong>, 71 Lehrbeispiele, 225 Übungen mit Ergebnissen und<br />
einer Beilage<br />
VEB Fachbuchverlag Leipzig<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1. Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
1.1. Zur Entwicklung <strong>der</strong> <strong>Physik</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15<br />
1.2. <strong>Physik</strong>alische Grössen und Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
1.2.1. Grössen, Grössenarten und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24<br />
1.2.2. Vektorgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
1.2.3 Grössensysteme und Einheitensysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
1.2.4. <strong>Physik</strong>alische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
1.3. Hinweise zum Rechnen mit Näherungswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />
1.4. Tabellen und grafische Darstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
1.5. Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
2. Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
2.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
2.2. Grundlagen <strong>der</strong> Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
2.2.1. Relativität <strong>der</strong> Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />
2.2.2. Arten und Formen <strong>der</strong> Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
2.3. Definitionen <strong>der</strong> kinematischen Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
2.3.1. Länge und Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
2.3.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
2.3.2.1. Geschwindigkeit und Beschleunigung als Durch schnittsgrössen . . . . . . . . . . . . 41<br />
2.3.2.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung als Momentan grössen . . . . . . . . . . . . . 48<br />
2.3.3. Grössen <strong>der</strong> Kreis- und Drehbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
2.3.3.1. Winkel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
2.3.3.2. Frequenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
2.3.3.3. Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
2.4. Spezielle Bewegungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
2.4.1. Geradlinige Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
2.4.1.1. Allgemeiner Fall <strong>der</strong> geradlinigen Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />
2.4.1.2. Gleichmässig beschleunigte Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
2.4.2. Krummlinige Bewegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
2.4.2.1. Allgemeiner Fall <strong>der</strong> krummlinigen Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
1
2.4.2.2. Tangential- und Normalbeschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
2.4.2.3. Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
2.4.2.4. Wurfbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
3. Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
3.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
3.2. Dynamik des Massenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />
3.2.1. Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />
3.2.1.1. Definition <strong>der</strong> Masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />
3.2.1.2. Relativistische Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
3.2.2. Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
3.2.2.1. Der Kraftbegriff in <strong>der</strong> <strong>Physik</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
3.2.2.2. Definition <strong>der</strong> Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76<br />
3.2.2.3. Wechselwirkungsprinzip und Kräftegleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />
3.2.2.4. Zwangskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80<br />
3.2.2.5. Schwerkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />
3.2.2.6. Fe<strong>der</strong>kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />
3.2.2.7. Reibungskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />
3.2.2.8. Trägheitskraft bei geradliniger Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
3.2.3. Arbeit, Energie, Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />
3.2.3.1. Mechanische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />
3.2.3.2. Energieerhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96<br />
3.2.3.3. Verschiebungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98<br />
3.2.3.4. Beschleunigungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100<br />
3.2.3.5. Leistung und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<br />
3.2.4. Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107<br />
3.2.4.1. Impulserhaltungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107<br />
3.2.4.2. Kraftstoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108<br />
3.2.4.3. Stossvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112<br />
3.3. Dynamik des starren Körpers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117<br />
3.3.1. Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117<br />
3.3.2. Massenträgheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119<br />
3.3.3. Grössen und Gleichungen <strong>der</strong> Rotation des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . 125<br />
3.3.3.1. Dynamisches Grundgesetz <strong>der</strong> Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125<br />
3.3.3.2. Arbeit, Energie, Leistung bei Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127<br />
3.3.3.3. Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131<br />
3.3.3.4. Radialkraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134<br />
3.3.3.5. Zentrifugalkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135<br />
3.3.3.6. Corioliskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137<br />
4. Mechanik <strong>der</strong> Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139<br />
4.1. Allgemeine Eigenschaften <strong>der</strong> Flüssigkeiten und Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . 139<br />
4.2. Ruhende Flüssigkeiten und Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141<br />
4.3. Strömende Flüssigkeiten und Gase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144<br />
5. Kinetische Theorie <strong>der</strong> Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150<br />
2
5.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150<br />
5.2. Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150<br />
5.2.1. Molekularer Aufbau <strong>der</strong> Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150<br />
5.2.1.1. Brownsche Molekularbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150<br />
5.2.1.2. Relative Molekülmasse und Kilomol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151<br />
5.2.1.3. Spezifische Molekülzahl und Avogadro-Konstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151<br />
5.2.1.4. Spezifisches Volumen und Molvolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152<br />
5.2.2. Wahrscheinlichkeit und Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153<br />
5.2.2.1. Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153<br />
5.2.2.2. Wahrscheinlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153<br />
5.2.2.3. Schwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155<br />
5.2.2.4. Stosszahl und mittlere freie Weglänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155<br />
5.3. Das ideale Gas als Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
5.3.1. Eigenschaften des idealen Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
5.3.2. Gasdruck als Summenwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
5.4. Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158<br />
5.4.1. Gesetz von Boyle und Mariotte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158<br />
5.4.2. Freiheitsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160<br />
5.4.3. Gleichverteilungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160<br />
5.4.4. Zustandsgleichung des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161<br />
5.4.5. Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162<br />
5.4.6. Geschwindigkeit <strong>der</strong> Gasmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163<br />
5.4.6.1. Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163<br />
5.4.6.2. Statistische Mittelwerte <strong>der</strong> Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165<br />
6. Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167<br />
6.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167<br />
6.2. Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167<br />
6.3. Mischungsvorgänge und Energieumwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170<br />
6.3.1. Kalorimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170<br />
6.3.2. Umwandlung einiger Energiearten in Wärmeenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172<br />
6.3.3. Erster Hauptsatz <strong>der</strong> Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173<br />
6.4. Zustandsän<strong>der</strong>ungen des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175<br />
6.4.1. Übersicht über die verschiedenen Zustandsän<strong>der</strong>ungen . . . . . . . . . . . . . . . . 175<br />
6.4.2. Isotherme Zustandsän<strong>der</strong>ung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175<br />
6.4.3. Isochore Zustandsän<strong>der</strong>ung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177<br />
6.4.4. Isobare Zustandsän<strong>der</strong>ung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178<br />
6.4.5. Die spezifischen Wärmekapazitäten des idealen Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . 179<br />
6.4.6. Adiabatische Zustandsän<strong>der</strong>ung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181<br />
6.4.7. Polytrope Zustandsän<strong>der</strong>ung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185<br />
6.5. Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187<br />
6.5.1. Kreisprozesse im p, V-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187<br />
6.5.2. Reversible und irreversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188<br />
6.5.3. Carnot-Prozess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189<br />
3
6.5.4. Thermischer Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190<br />
6.5.5. Kältemaschine und Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192<br />
6.6. Weitere Betrachtungen zur Energieumwandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193<br />
6.6.1. Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193<br />
6.6.2. Zweiter Hauptsatz <strong>der</strong> Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195<br />
6.6.3. Entropie und Wahrscheinlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198<br />
6.6.4. Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200<br />
6.7. Phasenän<strong>der</strong>ungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201<br />
6.7.1. Phasen und Aggregatzustände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201<br />
6.7.2. Umwandlungspunkt und Umwandlungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202<br />
6.7.3. Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205<br />
6.7.4. Zustandsdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206<br />
6.7.5. Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207<br />
6.8. Ausgleichsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208<br />
6.8.1. Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208<br />
6.8.2. Wärmeübergang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210<br />
6.8.3. Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210<br />
6.8.4. Wärmeströmung (Konvektion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211<br />
7. Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212<br />
7.1. Vorbemerkungen zur Elektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212<br />
7.2. Einfacher Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212<br />
7.2.1. Die wichtigsten elektrischen Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212<br />
7.2.2. Urspannung und Innenwi<strong>der</strong>stand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216<br />
7.3. Verzweigte Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221<br />
7.3.1. Kirchhoffsche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221<br />
7.3.2. Ersatzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223<br />
7.3.3. Anwendungen in <strong>der</strong> Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228<br />
8. Elektrische und magnetische Fel<strong>der</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230<br />
8.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230<br />
8.2. Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230<br />
8.2.1. Laden und Entladen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230<br />
8.2.2. Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232<br />
8.2.3. Ersatzkapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235<br />
8.3. Ruhende elektrische Fel<strong>der</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238<br />
8.3.1. Feldbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238<br />
8.3.2. Feldgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239<br />
8.3.3. Inhomogene Fel<strong>der</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243<br />
8.3.4. Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245<br />
8.3.4.1. Millikan-Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245<br />
8.3.4.2. Freie Ladungsträger im elektrischen Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246<br />
8.3.5. Stoff im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249<br />
8.4. Buhende magnetische Fel<strong>der</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251<br />
8.4.1. Grundlegende qualitative Beobachtungen zum Magne tismus . . . . . . . . . . . . . 251<br />
4
8.4.2. Feldgrössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253<br />
8.4.3. Durchflutungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258<br />
8.5. Induktionsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260<br />
8.5.1. Induktionsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260<br />
8.5.2. Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262<br />
8.5.3. Ein- und Abschaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264<br />
8.5.4. Stoff im magnetischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267<br />
8.5.4.1. Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267<br />
8.5.4.2. Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269<br />
8.5.4.3. Magnetische Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271<br />
8.5.5. Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274<br />
8.5.5.1. Freie Ladungsträger im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274<br />
8.5.5.2. Prinzip des Gleichstrommotors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276<br />
8.5.5.3. Prinzip des Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277<br />
8.6. Maxwellsche Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279<br />
9. Leitungsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281<br />
9.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281<br />
9.2. Leitungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282<br />
9.3. Elektronenstrom durch das Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284<br />
9.3.1. Freie Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284<br />
9.3.2. Elektronengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286<br />
9.4. Stromleitung in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291<br />
9.4.1. Unselbständige Gasleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291<br />
9.4.2. Selbständige Gasleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293<br />
9.5. Stromleitung in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295<br />
9.6. Stromleitung durch Festkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296<br />
9.6.1. Elektronengas im Metallgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296<br />
9.6.2. Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300<br />
9.6.2.1. Eigenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300<br />
9.6.2.2. Bän<strong>der</strong>modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301<br />
9.6.2.3. Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302<br />
9.6.2.4. pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303<br />
9.6.2.5. Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305<br />
9.6.2.6. Vor- und Nachteile von Halbleiterbauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306<br />
10. Schwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308<br />
10.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308<br />
10.2. Kinematik <strong>der</strong> Sinusschwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309<br />
10.2.1. Sinusschwingung und gleichförmige Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . 309<br />
10.2.2. Geschwindigkeit und Beschleunigung eines sinusförmig schwingenden Körpers . . . . 311<br />
10.2.3. Anzeige von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314<br />
10.2.4. Überlagerung von Sinusschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315<br />
10.2.4.1. Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenz und gleicher Richtung . . . . . . 315<br />
10.2.4.2. Überlagerung von Schwingungen ungleicher Frequenz und gleicher Richtung . . . . . 317<br />
5
10.2.4.3. Überlagerung von Schwingungen ungleicher Richtung. . . . . . . . . . . . . . . . . 319<br />
10.3. Dynamik <strong>der</strong> Sinusschwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320<br />
10.3.1. Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320<br />
10.3.1.1. Kraftgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320<br />
10.3.1.2. Schwingungsenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321<br />
10.3.1.3. Gedämpfte Schwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322<br />
10.3.2. Erzwungene Schwingungen und Resonanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323<br />
10.4. Beispiele für mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325<br />
10.4.1. Fe<strong>der</strong>-Masse-Schwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325<br />
10.4.2. Torsionspendel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326<br />
10.4.3. Physisches Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327<br />
10.5. Elektrische Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328<br />
10.6. Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331<br />
10.6.1. Sinusförmiger Wechselstrom in Analogie zur mecha nischen Sinusschwingung . . . . 331<br />
10.6.2. Wechselstromwi<strong>der</strong>stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332<br />
10.6.2.1. Wirkwi<strong>der</strong>stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332<br />
10.6.2.2. Kapazitiver Wi<strong>der</strong>stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332<br />
10.6.2.3. Induktiver Wi<strong>der</strong>stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333<br />
10.6.2.4. Reihenschaltung von Wirk- und Blindwi<strong>der</strong>ständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334<br />
10.6.3. Leistung im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337<br />
10.6.4. Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341<br />
11. Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344<br />
11.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344<br />
11.2. Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344<br />
11.2.1. Wesen <strong>der</strong> Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344<br />
11.2.2. Wellenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348<br />
11.3. Beson<strong>der</strong>heiten <strong>der</strong> Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350<br />
11.3.1. Polarisation von Transversalwellen . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350<br />
11.3.2. Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350<br />
11.3.3. Überlagerung von Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351<br />
11.3.4. Prinzipien von Huygens und von Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353<br />
11.3.5. Reflexion, Brechung und Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354<br />
11.3.5.1. Reflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354<br />
11.3.5.2. Brechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356<br />
11.3.5.3. Totalreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356<br />
11.3.5.4. Beugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357<br />
11.3.6. Stehende Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358<br />
11.3.6.1. Stehende Seilwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358<br />
11.3.6.2. Schwingungen von Saiten, Stäben und Luftsäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359<br />
11.4. Wellenfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360<br />
11.4.1. Kinematische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360<br />
11.4.2. Energetische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361<br />
11.5. Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365<br />
6
11.5.1. Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365<br />
11.5.2. <strong>Physik</strong>alische Grössen des Schallfeldes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366<br />
11.5.3. Absoluter Schallpegel und Lautstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368<br />
11.5.4. Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369<br />
11.6. Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370<br />
11.6.1. <strong>Physik</strong>alische Grössen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370<br />
11.6.2. Spektrum elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371<br />
11.6.3. Beson<strong>der</strong>heiten bei <strong>der</strong> Ausbreitung von Lichtwellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 371<br />
11.6.4. Strahlenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372<br />
11.6.5. Fotometrische Grössen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375<br />
12. Quanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377<br />
12.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377<br />
12.2. Absorption und Emission elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 377<br />
12.2.1. Grundvorstellungen <strong>der</strong> Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377<br />
12.2.2. Bohrsches Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378<br />
12.2.3. Absorption elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380<br />
12.2.4. Emission elektromagnetischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381<br />
12.2.4.1. Spontane Emission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381<br />
12.2.4.2. Induzierte Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383<br />
12.3. Dualismus Welle-Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384<br />
12.3.1. Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384<br />
12.3.2. De-Broglie-Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386<br />
12.3.3. Elektronenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388<br />
12.3.4. Heisenbergsche Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389<br />
12.4. Strahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390<br />
12.4.1. Reflexion, Absorption, Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390<br />
12.4.2. Schwarzer Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391<br />
12.4.3. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391<br />
12.4.4. Plancksches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392<br />
12.4.5. Wiensches Verschiebungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393<br />
12.4.6. Stefan-Boltzmannsches Strahlungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394<br />
13. Kernprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396<br />
13.1. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396<br />
13.2. Elementarteilchen und Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396<br />
13.3. Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397<br />
13.3.1. Radioaktive Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397<br />
13.3.2. Tröpfchenmodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398<br />
13.3.3. Zerfallsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399<br />
13.4. Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401<br />
13.4.1. Spaltprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401<br />
13.4.2. Kettenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402<br />
13.4.3. Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403<br />
13.5. Energiewirtschaft <strong>der</strong> Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404<br />
7
Ergebnisse zu den Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406<br />
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437<br />
Namenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439<br />
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441<br />
8