PHYSIK. für Techniker. Jürgen Zeitler Günter Simon. 7., aktualisierte Auflage

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1 Jürgen Zeitler Günter Simon PHYSIK für Techniker 7., aktualisierte Auflage

2 Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystem (SI) Größe Symbol Einheit Kurzzeichen (Formelzeichen) der Einheit Länge l Meter m Zeit t Sekunde s Masse m Kilogramm kg Elektrische Stromstärke I Ampere A Temperatur T Kelvin K Lichtstärke I, I v Candela cd Vorsatzzeichen für Teile und Vielfache von Einheiten und ihre Bedeutung Vorsatz Zeichen Bedeutung Vorsatz Zeichen Bedeutung Dezi d 10 1 Deka da 10 Zenti c 10 2 Hekto h 10 2 Milli m 10 3 Kilo k 10 3 Mikro µ 10 6 Mega M 10 6 Nano n 10 9 Giga G 10 9 Piko p Tera T Femto f Peta P Atto a Exa E Häufig vorkommende Umrechnungen von Einheiten Größe Umrechnung Fläche 1 ha =10 4 m 2 Volumen 1 l = 1 dm 3 = 10 3 cm 3 = 10 3 m 3 Geschwindigkeit 1 km h 1 = 1/3,6 m s 1 = 0,2778 m s 1 Winkel 57,296 = 1 rad; 360 = 2 p rad Masse 1 t = 10 3 kg Zeit 1 h = 3, s Frequenz, Drehfrequenz, Drehzahl 1 min 1 = 1/60 s 1 = 0,01667 s 1 Arbeit, Energie 1 J = 1 W s = 1 N m = 1 kg m 2 s 2 1 kw h = 3,6 MJ = 3, J 1 ev = 1, J Druck 1 bar = 10 5 Pa = 100 kpa =10 3 hpa =10 5 N m 2 1 mbar = 1 hpa = 10 2 Pa = 10 2 N m 2 1 MPa = 1 N mm 2 = 10 6 N m 2 Temperatur q/ C = T/K + 273,15 Spezifischer elektrischer Widerstand 1 W mm 2 m 1 = 10 6 W m Elektrische Ladung 1 A h = 3, A s = 3, C

3 Abgeleitete SI-Einheiten mit eigenen Namen Einheiten- Einheit Größe Physikalische Beziehung zeichen zu den SI-Einheiten A Ampere elektrische Stromstärke Basiseinheit Bq Becquerel Aktivität 1 Bq = 1 s 1 C Coulomb elektrische Ladung 1 C = 1 A s C Grad Celsius Temperatur 0 C = 273,15 K F Farad elektrische Kapazität 1 F = 1 A s V 1 Gy Gray Energiedosis 1 Gy = 1 J kg 1 H Henry Induktivität 1 H = 1 V s A 1 Hz Hertz Frequenz 1 Hz = 1 s 1 J Joule Energie, Arbeit 1 J = 1 N m = 1 W s K Kelvin Temperatur Basiseinheit N Newton Kraft 1 N = 1 m kg s 2 W Ohm elektrischer Widerstand 1 W = 1 V A 1 Pa Pascal Druck, Spannung 1 Pa = 1 N m 2 S Siemens elektrischer Leitwert 1 S = 1 W 1 Sv Sievert bewertete Dosis 1 Sv =1 J kg 1 T Tesla magnetische Flussdichte 1 T = 1 V s m 2 V Volt elektrische Spannung 1 V = 1 W A 1 W Watt Leistung 1 W = 1 J s 1 = 1 V A Wb Weber magnetischer Fluss 1 Wb = 1 V s Physikalische Konstanten (gerundet) Bezeichnung Größe = Zahlenwert Einheit Atommassenkonstante m u = 1 u = 1, kg Avogadro-Konstante N A = 6, mol 1 Boltzmann-Konstante k = 1, J K 1 Elektronenmasse (Ruhmasse) m e = 9, kg Elektron, relative Atommasse A re = 0, Elektrische Feldkonstante e 0 = 8, F m 1 Elementarladung e = 1, C Fallbeschleunigung (Normwert) g = 9,81 m s 2 Gaskonstante, molare R = 8,314 J mol 1 K 1 Gravitationskonstante G = 6, N m 2 kg 2 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c 0 = 2, m s 1 Loschmidt-Konstante n 0 = 2, m 3 Magnetische Feldkonstante m 0 = 4p 10 7 H m 1 Molares Volumen V m = 22, m 3 mol 1 Neutronenmasse (Ruhmasse) m n = 1, kg Neutron, relative Atommasse A rn = 1,0087 Plancksches Wirkungsquantum h = 6, J s Protonenmasse (Ruhmasse) m p = 1, kg Proton, relative Atommasse A rp = 1,0073 Standard-Atmosphärendruck p St = Pa Stefan-Boltzmann-Konstante s = 5, W m 2 K 4 Wien-Konstante b = 2, m K

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6 Jürgen Zeitler Günter Simon PHYSIK für Techniker 7., aktualisierte Auflage Mit 454 Bildern, 203 Beispielen, 26 Tabellen und 328 Aufgaben mit Lösungen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

7 Dr. rer. nat. Jürgen Zeitler, Magdeburg Dipl.-Phys. Günter Simon, Apolda Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Einbandbild: Teil einer Windkraftanlage Enercon E-70 / kw (Foto: Christian Klettke) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2013 Carl Hanser Verlag München Projektleitung: Dipl.-Phys. Jochen Horn Herstellung: Katrin Wulst Umbruch: Werksatz Schmidt & Schulz GmbH, Gräfenhainichen Druck und Bindung: Firmengruppe Appl, aprinta druck Wemding Printed in Germany

8 VORWORT Die Aus- und Fortbildung in einem technischen Beruf macht es erforderlich, die Schulkenntnisse in Physik aufzufrischen, zu erweitern und zu vertiefen. Das vorliegende Buch soll dafür eine Hilfe darstellen. Es soll aber auch den Lesern als Grundlage dienen, die sich zusätzlich während und nach der Schulzeit mit physikalischen Erscheinungen und Gesetzen beschäftigen wollen oder müssen. Die Autoren haben versucht, wichtige physikalische Gesetzmäßigkeiten im Hinblick auf technische Anwendungen in anschaulicher, leicht verständlicher Weise zu vermitteln. Dieses Anliegen wird durch viele Bilder und Beispiele unterstützt. Anstelle umfangreicher Ableitungen werden die in Formeln zum Ausdruck kommenden physikalischen Inhalte ausführlich erläutert sowie die Abhängigkeiten und Zusammenhänge diskutiert, die in ihnen enthalten sind. Dabei konnte auf Erfahrungen aus 35-jähriger Lehrtätigkeit in der Ingenieurausbildung zurückgegriffen werden. Dem Leser dieses Buches bieten sich umfangreiche Übungsmöglichkeiten durch zahlreiche Aufgaben mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad. Zu jeder Aufgabe werden die allgemeinen und die speziellen Lösungen, deren Zahlenwerte sinnvoll gerundet wurden, angegeben. Anleitung zum Lösen von physikalischen Aufgaben geben die Beispiele im Text. Diese zeigen, wie die in einer Aufgabe gestellten Probleme erkannt, Lösungsansätze aufgestellt und Ergebnisse gefunden werden. Für Anregungen zur Verbesserung des Buches sind wir dankbar. Allen Leserinnen und Lesern des Buches wünschen wir Erfolg bei der beruflichen Entwicklung. Möge dabei Physik für Techniker von Nutzen sein. Beispiele und Aufgaben: In solchen Kästen finden Sie vollständig durchgerechnete Beispiele zur Erläuterung der Gesetze und Gleichungen. Die ausführlichen Musterlösungen vermitteln dabei die typischen Lösungsideen, Lösungsstrategien und Lösungswege für solche Probleme. Autoren und Verlag Hinweise In der Randspalte finden Sie neben vielen Abbildungen und Tabellen auch die Bezeichnungen der wichtigen Gesetze und Gleichungen. An manchen Stellen steht wie hier zusätzlicher Text. Im Anhang finden Sie Aufgaben zum Üben, in deren Lösungsteil zur Kontrolle jeweils Ansatz, allgemeine und spezielle Lösung angegeben sind. Am Anfang jedes Kapitels stehen Fragen und Probleme zum nachfolgenden Text, am Ende jedes Kapitels stehen Zusammenfassungen. Sie sollen das Verständnis prüfen sowie vertiefen.

9 INHALTSVERZEICHNIS TECHNIK UND PHYSIK 1 Physikalische Größen und Einheiten Größenarten und Größen Einheiten und Internationales Einheitensystem (SI) Größengleichungen Länge, Fläche und Volumen Zeit MECHANIK 2 Kinematik Kinematik der Punktmasse Bewegung auf gerader Bahn Geschwindigkeit und Beschleunigung Gleichförmige Bewegung Gleichmäßig beschleunigte Bewegung Freier Fall Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen Bewegung auf der Kreisbahn Periodendauer und Frequenz Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung Radialbeschleunigung Kinematik des starren Körpers Translation und Rotation Kinematik der Rotation Drehzahlmessung Dynamik der Punktmasse Kräfte Wirkungen von Kräften Wechselwirkung Kraftmessung Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften Trägheit der Körper Grundgesetz der Dynamik Schwere der Körper Reibungskräfte Anwendungen des Grundgesetzes der Dynamik Trägheitskräfte Radialkraft und Zentrifugalkraft Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit Beschleunigungsarbeit Hubarbeit Federspannarbeit Reibungsarbeit Energie Kinetische Energie Potenzielle Energie Energieerhaltungssatz Leistung und Wirkungsgrad Leistung Wirkungsgrad Impuls Kraftstoß und Impuls Impulserhaltungssatz Stoßvorgänge Elastischer Stoß Unelastischer Stoß Raketenantrieb Dynamik der Rotation Drehmoment Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment Rotationsenergie Massenträgheitsmoment Analogie zwischen Translation und Rotation Grundgesetz der Dynamik der Rotation Arbeit und Leistung bei der Rotation Drehimpulserhaltungssatz Statik und Verformung Gleichgewicht starrer Körper

10 7 Inhaltsverzeichnis Gleichgewichtsbedingungen Gleichgewichtsarten Schwerpunkt Ebene Kraftsysteme Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten Standsicherheit Verformung und Festigkeit Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Druck Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen Kompressibilität Flüssigkeitsoberflächen Grenzflächenerscheinungen und Kapillarität Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase Kolbendruck Schweredruck Schweredruck in Flüssigkeiten Schweredruck in Gasen und Luftdruck Vakuum Druckmessung Druckskalen Druckmessgeräte Auftrieb Auftrieb in Flüssigkeiten Schwimmen Auftrieb in Gasen Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien; Volumenstrom Strömung idealer Flüssigkeiten und Gase Kontinuitätsgleichung Bernoullische Gleichung Anwendungen der Bernoullischen Gleichung Strömung realer Flüssigkeiten und Gase Innere Reibung und Viskosität Laminare und turbulente Strömungen Strömungswiderstände Druckverlust in Rohrleitungen Viskositätsbestimmungen THERMODYNAMIK 7 Wärme und innere Energie Thermodynamische Prozesse Wärmebewegung Temperatur Thermische Ausdehnung fester und. flüssiger Körper Temperaturmessung Hauptsatz der Thermodynamik Wärme und Temperatur Spezifische Wärmekapazität von Gasen Änderung des Aggregatzustandes Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich Energieumwandlungen Zustandsänderungen von Gasen Thermischer Zustand des idealen Gases Ideales Gas Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases Quasistatische Zustandsänderungen Volumenänderungsarbeit Spezielle Zustandsänderungen Isotherme Zustandsänderungen Isochore Zustandsänderungen Isobare Zustandsänderungen Adiabatische Zustandsänderungen Kreisprozesse Prinzip der Wärmekraftmaschine.. 163

11 8 Inhaltsverzeichnis Wärmepumpe und Kältemaschine Carnot-Prozess Hauptsatz der Thermodynamik Thermodynamischer Wirkungsgrad reversibler Kreisprozesse Irreversible Prozesse Entropie Reale Gase und Dämpfe Isothermen eines realen Gases Dämpfe Luftfeuchte Wärmetransport Wärmetransportprozesse Wärmedurchgang Temperaturstrahlung ELEKTRIK 10 Gleichstrom Elektrische Ladungen und Ströme Elektrische Spannung Ohmsches Gesetz Elektrischer Widerstand Schaltung von Widerständen Parallelschaltung Reihenschaltung Elektrische Energie und Leistung Reale Stromkreise Verhalten realer Spannungsquellen Schaltung von Spannungsquellen Einfluss von Leitungswiderständen Knoten- und Maschensatz zur Berechnung elektrischer Netze Messung elektrischer Größen Strom- und Spannungsmessung Digitale Messverfahren Spannungskompensation Messbrücken Elektrische und magnetische Felder Elektrische Felder Kräfte zwischen elektrischen Ladungen Elektrische Felder im Vakuum Elektrische Flussdichte und elektrische Feldstärke Kapazität Elektrische Feldenergie Stoffe im elektrischen Feld Influenz Dielektrische Polarisation Kondensatoren Magnetische Felder Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter Magnetische Felder im Vakuum Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte Induktivität und magnetische Feldenergie Stoffe im magnetischen Feld Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern Erzeugung von Elektronenstrahlen Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld Elektronen in magnetischen Feldern Gasentladungen Elektromagnetische Induktion Induktionsgesetz Transformator- und Generatorprinzip Transformatorprinzip Generatorprinzip Elektrische Maschinen Wirbelströme Selbstinduktion Wechselstrom Wechselspannungen und Wechselströme Bestimmungsgrößen Elektronische Messung der Bestimmungsgrößen

12 9 Inhaltsverzeichnis 12.2 Einfache Wechselstromkreise Wirkwiderstände Blindwiderstände Induktiver Blindwiderstand Kapazitiver Blindwiderstand Zusammengesetzte Wechselstromkreise Reihenschaltung von R und L Reihenschaltung von R, L und C Parallelschaltung von R, L und C Leistung des Wechselstroms Momentanleistung und Wirkleistung Messung von Energieumsatz und Wirkleistung Wirk-, Blind- und Scheinleistung Blindleistungskompensation Transformatoren Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) Schutz vor elektrischen Unfällen Halbleiter Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung Störstellenleitung n-leitung p-leitung pn-übergang Halbleiterdioden Transistoren Bipolartransistoren Elementarer Spannungsverstärker Feldeffekttransistoren Integrierte Schaltkreise SCHWINGUNGEN UND WELLEN 14 Schwingungen Mechanische Schwingungen Freie ungedämpfte Schwingungen Kinematik der Sinusschwingung Dynamik der Sinusschwingung Dreh- und Pendelschwingungen Freie gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Elektrische Schwingungen Elektrischer Schwingkreis Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungen Erzwungene elektrische Schwingungen Reihenresonanz Parallelresonanz Überlagerung von Schwingungen Überlagerung in gleicher Richtung Schwingungen gleicher Frequenz Schwebungen Überlagerung senkrecht zueinander Anharmonische Schwingungen Wellen Wellenausbreitung Arten von Wellen Frequenz und Doppler-Effekt Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit Energiestrom und Amplitude Huygenssches Prinzip Reflexion und Brechung Reflexion Brechung Totalreflexion Beugung und Interferenz Beugung Interferenz Stehende Wellen Beugung und Interferenz am Doppelspalt Polarisation Optische Abbildung Bildkonstruktion Bildentstehung an gekrümmten Spiegeln und Linsen Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab Vergrößerung durch Fernrohr und Mikroskop Energieübertragung durch Wellen.. 302

13 10 Inhaltsverzeichnis Physikalische Strahlungsgrößen Physiologische Schall- und Lichtempfindungen Schallstärke und Lautstärke Lichttechnische Größen Elektromagnetische Strahlung Hertzsche Wellen Mikrowellen QUANTEN UND ATOME 16 Atom- und Kernphysik Quanten Energiequantelung Welle-Teilchen-Dualismus Äußerer Fotoeffekt Heisenbergsche Unschärferelation Masse und Energie Photonen Bohrsches Atommodell Absorption und Emission von Photonen LASER Röntgenstrahlen Atomkern Aufbau des Atomkerns Radioaktivität a-umwandlung b-umwandlung g-strahlung Gesetz der radioaktiven Umwandlung Absorption von ionisierender Strahlung Nachweis von Kernstrahlung Biologische Wirkungen und Strahlenschutz Kernenergie Kernspaltung Kernsynthese Aufgaben Lösungen Bildquellenverzeichnis Sachwortverzeichnis