Physik für Fachhochschulen und technische Berufe

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1 Physik für Fachhochschulen und technische Berufe von Dr. Heywang Dr. Treiber Dr. Herberg Dr. Neft 30. Auflage, völlig neu bearbeitet auf der Basis des Werkes von Dr. Schmiedel und Dr. Süss HANDWERK UND TECHNIK HAMBURG

2 Vorwort X 1 Mechanik der festen Körper Physikalische Größen der Mechanik Allgemeines über physikalische Größen Basisgrößen der Mechanik Einige abgeleitete Größen Bewegungslehre (Kinematik) Geschwindigkeit Beschleunigung Einige Sonderfälle von beschleunigten Bewegungen Zusammensetzung von Bewegungen Schiefer Wurf Kreis und Drehbewegung Kraft Eigenschaften einer Kraft Definition der Kraft durch das Grundgesetz der Dynamik Einfache Beispiele von Kräften Gleichgewicht von Kräften Gegenkraft und Gleichgewicht Zusammenfassung, Zerlegung und Gleichgewicht von Kräften im gleichen Angriffspunkt Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten Drehmoment und Hebelgesetz Schwerpunkt Allgemeine Gleichgewichtsbedingungen Gleichgewichtsbedingungen und Bezugssystem Arbeit und Leistung Energiearten der Mechanik Satz von der Erhaltung der Energie Leistung und Wirkungsgrad Ausbau der Dynamik Allgemeine Grundsätze der Dynamik Kraftstoß und Impuls, Impulssatz Zentripetal-und Zentrifugalkraft Corioliskraft Beschleunigte Drehbewegung um eine feste Achse Gleichzeitiger Ablauf von Translation und Rotation Kreisel Gravitation Gravitation als allgemeine Eigenschaft aller Massen Wirkungen der Gravitation Raumfahrt Stoffeigenschaften fester Körper Aufbau der festen Materie Eigenschaften fester Materie Wirkungen äußerer Kräfte auf die innere Struktur fester Stoffe Berechnung elastischer Formänderungen 73 III

3 2 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Ruhende Flüssigkeiten Allgemeine Eigenschaften der Flüssigkeiten Hydrostatischer Druck Kräfte einer Flüssigkeit auf die Flächen ihres Behälters Auftrieb Sinken, Schweben, Schwimmen Stoffeigenschaften der Flüssigkeiten Ruhende Gase Grundeigenschaften der Gase Der Luftdruck Erzeugung und Anwendung eines Vakuums Der Druck eines eingeschlossenen Gases Die Manometer und die Barometer Der Auftrieb in Gasen Diffusion von Gasen Dynamik der Flüssigkeiten und Gase Allgemeines über die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von Querschnitt und Druck einer idealen Flüssigkeit Anwendungen des Gesetzes von Bernoulli Die innere Reibung Turbulenz und Strömungswiderstand Der Energieverlust infolge der Reibung Ausfluß von Flüssigkeiten und Gasen Wasserkraftmaschinen Der Quer-und Auftrieb Die physikalischen Grundlagen der Luftfahrt Wärmelehre Temperatur und ihre Messung Temperatur Thermometer Wärmeausdehnung Ausdehnung fester Stoffe Ausdehnung der Flüssigkeiten Ausdehnung der Gase Zustandsgieichung der Gase Wärme als Energie Wärmemengen und ihre Äquivalenz zur mechanischen Arbeit Mischungsversuche Wärmequellen Der thermodynamische Zustand Zustandsänderungen eines idealen Gases Kinetische Theorie der Wärme Wärme als Energie der Molekularbewegung Boylesches Gesetz und die Geschwindigkeit der Moleküle Berechnung der molaren Wärmekapazitäten Mittlere Stoßzahl und mittlere freie Weglänge 153 IV

4 3.5 Änderungen des Aggregatzustandes (Phasenumwandlungen) Schmelzen und erstarren Verdampfen und Kondensieren Gesättigte und ungesättigte Dämpfe Zustandsgieichung realer Gase und die Gasverflüssigung Luftfeuchtigkeit Ausbreitung der Wärme Wärmeströmung oder -konvektion Wärmeleitung Wärmeübergang und Wärmedurchgang Wärmestrahlung Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme Zweiter Hauptsatz Carnotscher Kreisprozeß und der thermische Wirkungsgrad Entropie Wärmekraftmaschinen Schwingungs-und Wellenlehre Schwingungen Schwingungsformen Eindimensionale Schwingungen Drehschwingungen Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Allgemeine Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Wellen Grundlagen Einteilung der Wellenarten Mathematische Beschreibung von Wellen in ausgedehnten Medien Welleneigenschaften Wellen an Hindernissen Akustik Stimmapparat und Ohr Schallempfindung Schallquellen Elektroakustische Wandler Meßgrößen des Schalls Zusammenwirken mehrerer Schallquellen Ultraschall Optik Licht und Strahlung Das Wesen des Lichtes Lichtwellen Lichtquanten Der Seheindruck Größen und Einheiten der Strahlungs-und Lichttechnik Strahlungs-und Lichtmeßtechnik Farbenlehre Eigenschaften von Lichtquellen und Beleuchtungsanlagen 269 V

5 5.2 Geometrische Optik Reflexion Brechung und Dispersion Kombinierte Reflexion und Brechung Optische Bilder Das Auge Optische Instrumente Wellenoptik Grundlagen Beugung an Öffnungen Interferenz Kohärenz Wellenfronten in optischen Systemen Auflösungsvermögen optischer Instrumente Holographie Polarisation Elektrizitätslehre Elektrische Grunderscheinungen Ruhende Ladung Bewegte Ladung Elektrostatik Sitz und Verteilung der Ladung Elektrisches Feld Coulombsches Gesetz Elektrische Spannung Kapazität Elektrisches Feld im materieerfüllten Raum Elektrizitätsleitung in Metallen Ohmsches Gesetz und der Widerstand Realisierung von Widerständen Kirchhoffsche Gesetze Messung von Strom, Spannung und Widerstand Reale Spannungs- und Stromquelle Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes Elektrizitätsleitung in Elektrolyten Chemische Wirkung beim Stromdurchgang durch Elektrolyte Galvanische Spannungsquellen Elektrizitätsleitung im Vakuum und in Gasen Unselbständiger Stromdurchgang Bewegung von Elektronen in elektrischen Feldern Selbständiger Stromdurchgang durch Gase, Gasentladungen Anwendungen des Stromdurchganges durch Gase zur Lichterzeugung Elektrizitätsleitung in Halbleitern Leitfähigkeit in Halbleitern Halbleiterdioden Bipolartransistor Thyristor Vergleich von Transistor und Thyristor 400 VI

6 6.6.6 Feldeffekttransistor Integrierte Schaltungen Halbleitertechnologie Magnetische Grunderscheinungen Magnetismus Magnetisches Feld Magnetische Influenz Magnetfeld eines elektrischen Stromes Elektromagnete Magnetfeld der Erde Grundgrößen des Elektromagnetismus Magnetische Induktion B Lorentzkraft Halleffekt Magnetische Feldstärke H Durchflutungsgesetz Permeabilität Magnetischer Fluß Kräfte und Drehmomente Kraftwirkungen auf freie Ladungsträger Drehmoment einer Leiterschleife, magnetisches Moment Materie im Magnetfeld Magnetische Suszeptibilität Diamagnetismus Paramagne-tismus Ferromagnetismus Antiferromagnetismus Ferrimagnetismus Magnetischer Kreis Ohmsches Gesetz des Magnetismus Berechnung der erforderlichen Durchflutung Induktion Experimentelle Grundlagen Induktionsgesetz Fremd- und Selbstinduktion Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten Schaltvorgänge in Stromkreisen mit Induktivität Induktionsarme Widerstände Energieinhalt eines Magnetfeldes Wechselstrom Eigenschaften des Einphasenwechselstromes Widerstand, Induktivität und Kapazität im Wechselstromkreis Resonanzkreise Leistung des Wechselstromes Mehrphasenwechselstrom Meßinstrumente Erzeugung und Umformung elektrischer Spannungen Allgemeines Generatoren 456 VII

7 Motoren Transformatoren Stromrichter Schwingkreis Vorgänge im Schwingkreis Schwingungsdifferentialgleichung mit Lösung Gedämpfte Schwingung Erzeugung ungedämpfter Schwingungen Energieübertragung zwischen geschlossenen Schwingkreisen Elektromagnetische Wellen Maxwellsche Gleichungen Abstrahlung elektromagnetischer Wellen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung Elektromagnetisches Spektrum Nachrichtenübermittlung mit elektromagnetischen Wellen Physik der Atomhülle Grundlagen der Atomphysik Spezielle Relativitätstheorie Existenz, Größe und Masse der Atome und Moleküle Elektrische Elementarladung Quantentheorie Materiewellen Physik der Elektronenhülle Atomkern und Elektronenhülle Bohrsches Atommodell Wellenmechanisches Atommodell Entstehung der Spektren Laser und Maser Röntgenspektren Periodensystem der Elemente Physik der Moleküle und Festkörper Chemische Bindung Energiestufen und Spektren von Molekülen und Festkörpern Festkörper- und Halbleiter Das Bändermodell des Festkörpers Der Leitungsmechanismus in Halbleitern Statistik der Kristallelektronen Störungen des Trägergleichgewichtes im Halbleiter pn-übergang Kernphysik Aufbau der Atomkerne aus Nukleonen Masse der Atomkerne Isotopentrennung Kernbausteine Massendeffekt, Bindungsenergie und Kernmodelle 541 VIII

8 8.2 Radioaktivität Eigenschaften radioaktiver Strahler Zerfallsgesetz und Halbwertszeit Aktivität Natürliche Zerfallsreihen Die radioaktiven Zerfallsarten a-zerfall ,8-Zerfall y-emission Wechselwirkung radioaktiver Strahlung mit Materie a-strahlen Elektronen y-strahlung Nachweis und Messung radioaktiver Strahlung Kernreaktion Allgemeine Eigenschaften von Kernreaktionen Wirkungsquerschnitt und Aktivierungsgleichung Reaktionstypen und Anregungsfunktion Kernreaktoren Aufbau eines Reaktors Neutronenbilanz eines Reaktors (Vierfaktorformel) Reaktortypen Reaktorsicherheit und Entsorgung Kernfusion Elementarteilchen Strahlenschutz und Dosimetrie Schädigende Wirkung radioaktiver Strahlung Energiedosis, lonendosis Äquivalentdosis Dosimetrie für -Strahlung Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung Dosisgrenzwerte und Strahlenschutz 592 Liste der verwendeten Formelzeichen 593 Sachwortverzeichnis 598 Bildquellenverzeichnis II IX