Das Ingenieurwissen: Physik

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1 Das Ingenieurwissen: Physik

2 Heinz Niedrig Martin Sternberg Das Ingenieurwissen: Physik

3 Heinz Niedrig Technische Universität Berlin Berlin, Deutschland Martin Sternberg Hochschule Bochum Bochum, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Das vorliegende Buch ist Teil des ursprünglich erschienenen Werks HÜTTE - Das Ingenieurwissen, 34. Auflage. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Die HÜTTE Das Ingenieurwissen ist ein Kompendium und Nachschlagewerk für unterschiedliche Aufgabenstellungen und Verwendungen. Sie enthält in einem Band mit 17 Kapiteln alle Grundlagen des Ingenieurwissens: Mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen Technologische Grundlagen Grundlagen für Produkte und Dienstleistungen Ökonomisch-rechtliche Grundlagen Je nach ihrer Spezialisierung benötigen Ingenieure im Studium und für ihre beruflichen Aufgaben nicht alle Fachgebiete zur gleichen Zeit und in gleicher Tiefe. Beispielsweise werden Studierende der Eingangssemester, Wirtschaftsingenieure oder Mechatroniker in einer jeweils eigenen Auswahl von Kapiteln nachschlagen. Die elektronische Version der Hütte lässt das Herunterladen einzelner Kapitel bereits seit einiger Zeit zu und es wird davon in beträchtlichem Umfang Gebrauch gemacht. Als Herausgeber begrüßen wir die Initiative des Verlages, nunmehr Einzelkapitel in Buchform anzubieten und so auf den Bedarf einzugehen. Das klassische Angebot der Gesamt-Hütte wird davon nicht betroffen sein und weiterhin bestehen bleiben. Wir wünschen uns, dass die Einzelbände als individuell wählbare Bestandteile des Ingenieurwissens ein eigenständiges, nützliches Angebot werden. Unser herzlicher Dank gilt allen Kolleginnen und Kollegen für ihre Beiträge und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Springer-Verlages für die sachkundige redaktionelle Betreuung sowie dem Verlag für die vorzügliche Ausstattung der Bände. Berlin, August 2013 H. Czichos, M. Hennecke

5 VI Vorwort Das vorliegende Buch ist dem Standardwerk HÜTTE Das Ingenieurwissen 34. Auflage entnommen. Es will einen erweiterten Leserkreis von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern ansprechen, der nur einen Teil des gesamten Werkes für seine tägliche Arbeit braucht. Das Gesamtwerk ist im sog. Wissenskreis dargestellt.

6 Inhaltsverzeichnis Physik H. Niedrig, M. Sternberg 0 Übersicht Physikalische Größen und Einheiten Physikalische Größen Basisgrößen und -einheiten Das Internationale Einheitensystem, Konstanten und Einheiten...2 I. Teilchen und Teilchensysteme 2 Kinematik Geradlinige Bewegung Kreisbewegung Gleichförmig translatorische Relativbewegung Galilei-Transformation Lorentz-Transformation Relativistische Kinematik 2.4 Geradlinig beschleunigte Relativbewegung Rotatorische Relativbewegung Kraft und Impuls Trägheitsgesetz Kraftgesetz Gewichtskraft Federkraft Reibungskräfte 3.3 Reaktionsgesetz Kräfte bei elastischen Verformungen Kräfte zwischen freien Körpern ( innere Kräfte ) 3.4 Äquivalenzprinzip: Schwer- und Trägheitskräfte Trägheitskräfte bei Rotation Zentripetal- und Zentrifugalkraft Coriolis-Kraft 3.6 Drehmoment und Gleichgewicht Drehimpuls (Drall) Drehimpulserhaltung Arbeit und Energie Beschleunigungsarbeit, kinetische Energie Potenzielle Energie, Hub- und Spannungsarbeit Energieerhaltung bei konservativen Kräften Energiesatz bei nichtkonservativen Kräften Relativistische Dynamik Schwingungen Kinematik der harmonischen Bewegung Der ungedämpfte, harmonische Oszillator Mechanische harmonische Oszillatoren Schwingungsgleichung und Schwingungsenergie des harmonischen Oszillators 5.3 Freie gedämpfte Schwingungen Periodischer Fall (Schwingfall) Aperiodischer Grenzfall Aperiodischer Fall (Kriechfall) Abklingzeit 5.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz Resonanz Leistungsaufnahme des Oszillators

7 VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Überlagerung von harmonischen Schwingungen Schwingungen gleicher Frequenz Schwingungen verschiedener Frequenz 5.6 Gekoppelte Oszillatoren Gekoppelte Pendel Mehrere gekoppelte Oszillatoren 5.7 Nichtlineare Oszillatoren. Chaotisches Schwingungsverhalten Teilchensysteme Schwerpunkt (Massenzentrum), Impuls und Drehimpuls von Teilchensystemen Schwerpunktbewegung ohne äußere Kräfte Schwerpunktbewegung bei Einwirkung äußerer Kräfte Drehimpuls eines Teilchensystems 6.2 Energieinhalt von Teilchensystemen Energieerhaltungssatz in Teilchensystemen Bindungsenergie eines Teilchensystems 6.3 Stöße Zentraler elastischer Stoß Nichtzentraler elastischer Stoß Unelastischer Stoß 7 Dynamik starrer Körper Translation und Rotation eines starren Körpers Rotationsenergie, Trägheitsmoment Drehimpuls eines starren Körpers Kreisel Vergleich Translation Rotation Statistische Mechanik Thermodynamik Kinetische Theorie der Gase Temperaturskalen, Gasgesetze Freiheitsgrade, Gleichverteilungssatz Reale Gase, tiefe Temperaturen Energieaustausch bei Vielteilchensystemen Volumenarbeit Wärme Energieerhaltungssatz für Vielteilchensysteme 8.6 Wärmemengen bei thermodynamischen Prozessen Zustandsänderungen bei idealen Gasen Kreisprozesse Wärmekraftmaschine Kältemaschine und Wärmepumpe 8.9 Ablaufrichtung physikalischer Prozesse (Entropie) Transporterscheinungen Stoßquerschnitt, mittlere freie Weglänge Molekulardiffusion Wärmeleitung Innere Reibung: Viskosität Hydro- und Aerodynamik Strömungen idealer Flüssigkeiten Strömungen realer Flüssigkeiten II. Wechselwirkungen und Felder 11 Gravitationswechselwirkung Der Feldbegriff Planetenbewegung: Kepler-Gesetze Newton sches Gravitationsgesetz Das Gravitationsfeld Satellitenbahnen im Zentralfeld ElektrischeWechselwirkung Elektrische Ladung, Coulomb sches Gesetz Das elektrostatische Feld Elektrisches Potenzial, elektrische Spannung Quantisierung der elektrischen Ladung...126

8 Inhaltsverzeichnis IX 12.5 Energieaufnahme im elektrischen Feld Elektrischer Strom Kapazität leitender Körper Nichtleitende Materie im elektrischen Feld, elektrische Polarisation Magnetische Wechselwirkung Das magnetostatische Feld, stationäre Magnetfelder Die magnetische Kraft auf bewegte Ladungen Materie im magnetischen Feld, magnetische Polarisation Zeitveränderliche elektromagnetische Felder Zeitveränderliche magnetische Felder: Induktion Selbstinduktion Energieinhalt des Magnetfeldes Wirkung zeitveränderlicher elektrischer Felder Maxwell sche Gleichungen Elektrische Stromkreise Ohm sches Gesetz Gleichstromkreise, Kirchhoff sche Sätze Wechselstromkreise Wechselstromarbeit Transformator Scheinwiderstand von R, L und C 15.4 Elektromagnetische Schwingungen Freie, gedämpfte elektromagnetische Schwingungen Erzwungene elektromagnetische Schwingungen, Resonanzkreise Selbsterregung elektromagnetischer Schwingungen durch Rückkopplung 16 Transport elektrischer Ladung: Leitungsmechanismen Elektrische Struktur der Materie Atomstruktur Elektronen in Festkörpern 16.2 Metallische Leitung Supraleitung Halbleiter Eigenleitung Störstellenleitung Hall-Effekt in Halbleitern PN-Übergänge 16.5 Elektrolytische Leitung Stromleitung in Gasen Unselbstständige Gasentladung Selbstständige Gasentladung Der Plasmazustand 16.7 Elektrische Leitung im Hochvakuum Elektronenemission Bewegung freier Ladungsträger im Vakuum 17 Starke und schwache Wechselwirkung: Atomkerne und Elementarteilchen Atomkerne Massendefekt, Kernbindungsenergie Radioaktiver Zerfall Alphazerfall Betazerfall 17.4 Künstliche Kernumwandlungen, Kernenergiegewinnung Elementarteilchen III. Wellen und Quanten 18 Wellenausbreitung Beschreibung von Wellenbewegungen, Wellengleichung Elastische Wellen, Schallwellen Doppler-Effekt, Kopfwellen ElektromagnetischeWellen Erzeugung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Elektromagnetisches Spektrum...240

9 X Inhaltsverzeichnis 20 Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie, Dispersion Emission und Absorption des schwarzen Körpers, Planck sches Strahlungsgesetz Quantisierung des Lichtes, Photonen Stationäre Energiezustände, Spektroskopie Induzierte Emission, Laser Optische Polarisation Geometrische Optik Optische Abbildung Abbildungsfehler Huygens sches Prinzip Fraunhofer-Beugung an Spalt und Gitter Wellenaspekte bei der optischen Abbildung Abbe sche Mikroskoptheorie Materiewellen Teilchen, Wellen, Unschärferelation Die De-Broglie-Beziehung Die Schrödinger-Gleichung Elektronenbeugung, Elektroneninterferenzen Elektronenoptik Literatur...289