Physik. Integrierter Kurs Physiker, Mathematiker und Informatiker. Prof. Dr. Reinhold Kleiner

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2 2 Physik II Integrierter Kurs für Physiker, Mathematiker und Informatiker Prof. Dr. Reinhold Kleiner Raum D6 P40 Physikalisches Institut: Experimentalphysik II Auf der Morgenstelle Tübingen Prof. Dr. Herbert Müther Raum D7 A11 Institut für Theoretische Physik Auf der Morgenstelle Tübingen Sommersemester 2003

3 Inhaltsverzeichnis Einleitung v 1 Elektrostatik Vorbemerkungen Die Coulomb-Kraft Das Coulombsche Gesetz, elektrostatisches Feld Die Delta-Funktion Differentialoperatoren und Integralsätze Das Flächenintegral Divergenz Der Gaußsche Integralsatz Die Rotation Der Stokessche Integralsatz Eindeutigkeitssatz Zusammenfassung Die Grundgleichungen des elektrostatischen Feldes Bedeutung des elektrostatischen Potentials und Energieinhalt des elektrischen Felde 1.6 Ladungen in Metallen; Influenz Massiver geladener metallischer Körper Geladener metallischer Hohlraum Influenz Randwertprobleme Beispiele, Spiegelladungsmethode Eindeutigkeit der Lösung des Randwertproblems Versuche zur Influenz Multipolentwicklung Dipole in der Natur Induzierte Dipole und Verschiebungspolarisation Permanente Dipole und Orientierungspolarisation Ferroelektrische Stoffe Versuche zur Aufladung und Polarisation von Isolatoren Wechselwirkende Dipole: Quantitative Betrachtungen Der Plattenkondensator i

4 ii INHALTSVERZEICHNIS Das elektrische Feld einer unendlich großen metallischen Platte Das elektrische Feld im unendlich großer Plattenkondensator Das elektrische Feld im endlich großen Plattenkondensator Das Potenzial im Plattenkondensator Experimente zum Potenzial Die Kapazität des Plattenkondensators Energie des Plattenkondensators Parallel- und Reihenschaltungen von Kondensatoren Freie Ladungen im Kondensator Kondensator mit Dielektrikum Makroskopische Elektrostatik Polarisation, dielektrische Verschiebung Grenzbedingungen der Elektrostatik Energieinhalt des elektrischen Feldes im Medium Stromfluss durch Leiter; elektrischer Widerstand Allgemeines Einfache Schaltungen mit Ohmschen Widerständen; Kirchhoffsche Regeln Ideale Spannungsquelle Reale Spannungsquelle Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Stromquellen Amperemeter Voltmeter Leistungsmesser Widerstandsmessung: Vierpunktmethode Widerstandsmessung: Wheatstone-Brückenschaltung Spannungsquellen Kondensatoren Galvanische Elemente Moderne Messverfahren zur Bestimmung von Ampere, Volt und Ohm117 3 Magnetostatik Einführende Versuche Gesetze von Biot-Savart und Ampere Experimente zur Lorentzkraft Die Differenzialgleichungen der Magnetostatik Das magnetische Feld einer lokalisierten Stromverteilung Kraft auf magnetische Dipole in einem äusseren Magnetfeld Magnetische Kräfte und Drehmoment: Versuche Das magnetische Feld in Materie Das Verhalten von B und H an Grenzflächen

5 INHALTSVERZEICHNIS iii 3.8 Magnetische Dipole in der Natur Einige Grundbegriffe Induzierte Dipole, Diamagnetismus Permanente Dipole; Paramagnetismus Ferromagnetismus Weitere Anmerkungen Maxwell-Gleichungen Das Faradaysche Induktionsgesetz Versuche zum Faraday schen Induktionsgesetz Veränderliche Fläche der Leiterschleife Rotierende Leiterschleife Rotierende Spule im Erdfeld Spannungsinduktion in einer Leiterschleife:Zeitliche Änderung des Magnetfelds Induktionsgesetz bei zeitlich veränderlichem Magnetfeld: Quantitative Analyse Wechselstromgeneratoren und Elektromotoren Maxwellscher Verschiebungsstrom, Potenziale Potenziale der Elektrodynamik Energie der elektromagnetischen Felder Spulen und einfache elektronische Schaltungen Allgemeines Induktitivität einer Spule Energieinhalt einer Spule Spezielle Spulentypen Spulen mit Kern Erzeugung von Magnetfeldern Messung von Magnetfeldern Schaltungen mit Induktivitäten und anderen Bauelementen Auf- und Entladen einer Spule Spule unter Wechselstrom Komplexe Widerstände Leistung unter Wechselspannung Zweipole und Vierpole Tiefpass Hochpass Serieller Schwingkreis Paralleler Schwingkreis Selbsterregender Schwingkreis Transistoren und andere verstärkende Bauelemente Transformatoren Elektromagnetische Wellen 213

6 iv INHALTSVERZEICHNIS 6.1 Lösung der Maxwellschen Gleichungen in einem Isolator Erzeugung von elektromagnetischen Wellen Überlagerung von elektromagnetischen Wellen Wellen in einem leitenden Medium Der Skineffekt Frequenzabhängige Dielektrizitätskonstante Erzeugung, Übertragung, Empfang von Radio- und Mikrowellen Erzeugung Übertragung Empfang Antennen Homodyn- und Heterodyn-Empfang Spezielle Relativitätstheorie Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Der 4-dimensionale Raum Lorentz Transformation Einige Konsequenzen aus der Lorentz Transformation Relativistische Bewegungsgleichung Relativitätstheorie und Elektrodynamik

7 Einleitung Im kommenden Semester werden wir uns mit physikalischen Vorgängen beschäftigen, die mit elektrischen Ladungen zusammenhängen. Wir werden sehen, dass sich eine Vielzahl von Erscheinungen, von der statischen Reibungselektrizität über Stromfluss und Magnetismus bis hin zu elektromagnetischen Wellen sehr elegant und einheitlich beschreiben lassen. v

8 vi EINLEITUNG