Integrierter Kurs Physik II

Transkript

1 Integrierter Kurs Physik II Prof. Dr. Götz Uhrig TU Dortmund - Fakultät Physik Lehrstuhl für Theoretische Physik I Theorie der kondensierten Materie (?) goetz. uhrig (at) tu - dortmund. de Physik-Gebäude, Raum P Otto-Hahn-Str. 4 D Dortmund Büro Prof. Dr. Shaukat Khan TU Dortmund - Fakultät Physik Lehrstuhl für Beschleunigerphysik Zentrum für Synchrotronstrahlung (DELTA) shaukat. khan (at) tu - dortmund. de DELTA-Gebäude, Raum 03 Maria-Goeppert-Mayer-Str. 2 D Dortmund Büro 1

2 Klassische Elektrondynamik Elektrostatik Elektrischer Strom Magnetostatik Zeitlich veränderliche Felder Wechselstromkreise Elektromagnetische Wellen Elektrische und magnetische Felder in Materie Maxwellsche Gleichungen James Clerk Maxwell

3 Termine und Räume Vorlesung Mo 10:15-11:45 Hörsaalgebäude II Hörsaal 2 Mi 12:15-13:45 Hörsaalgebäude II Hörsaal 2 Fr 10:15-11:45 Hörsaalgebäude II Hörsaal 2 Übungen Gruppe 1 Di Experimentierhalle PE-E1-124 (Lehramt) Do Experimentierhalle PE-E1-124 Gruppe 2 Mo Hörsaalgebäude II Hörsaal 8 Do Hörsaalgebäude II Hörssal 8 Gruppe 3 Di Seminarraumgeb Do Seminarraumgeb Gruppe 4 Mo Seminarraumgeb Do Seminarraumgeb Gruppe 5 Di Physikgebäude P Do Physikgebäude P Gruppe 6 Di Seminarraumgeb Do Hörsaalgebäude II Hörsaal 8 Klausuren Vorklausur (Studienleistung) vermutlich Mi :00-18:00 Hörsaalgebäude II Hörsaal 1 Ersatztermin - falls erforderlich - wird noch bekanntgegeben Modulabschlussklausur vermutlich Fr :00-18:00 Hörsaalgebäude II Hörsäle 1 und 2 Ersatztermin - falls erforderlich - wird noch bekanntgegeben 3

4 Hörsaalgebäude II Physikgebäude Seminarraumgebäude 1 Experimentierhalle 4

5 Inhalte der Vorlesung werden regelmäßig auf der Webseite der Vorlesung veröffentlicht: Google: "DELTA Dortmund" Direktorium Homepage Khan Lehre Physik I Ws2017 Inhalte der Übungen Vor- und Nachbesprechung der Übungsaufgaben Besprechung allgemeiner Fragen und Unklarheiten Ausgabe der Übungsaufgaben: Dienstag online (erstmals Di ) Abgabe der Übungsaufgaben: am darauf folgenden Dienstag 12:00 (Kästen im Foyer Physik) Übungsaufgaben bevorzugt in kleinen Gruppen (max. 3 Studierende) bearbeiten und abgeben Studienleistung Voraussetzung für die Teilnahme an der Modulprüfung: 1) Bestehen einer Klausur in der Mitte des Semesters (Termin wird noch bekanntgegeben) 2) Regelmäßige Teilnahme an den Übungen (max. 2x ohne Attest fehlen) 3) Aktive Teilnahme an den Übungen (min. 2x eine Übungsaufgabe vorrechnen) 4) Erfolgreiche Teilnahme an den Übungen (min. 50% der erreichbaren Übungspunkte) Wer eine Aufgabe nicht vorrechnen kann, verliert die Übungspunkte für diese Aufgabe! Die Anerkennung von Studienleistungen aus dem Sommersemester 2017 ist möglich Modulprüfung Klausur 180 Minuten. Hilfsmittel: Kugelschreiber, Taschenrechner, handschriftliches DIN-A4-Blatt Ersatztermin nur, wenn Sie beim Haupttermin durchgefallen sind oder erkrankt waren (Attest), Anmeldung und weitere Details zur Modulprüfung später 5

6 Abgabe der Übungsaufgaben - Di abends online verfügbar, Vorbesprechung in den Gruppen - Abgabe Di bis 12:00 (Kasten im Foyer Physik), Rückgabe und Nachbesprechung in den Gruppen - Zusammenarbeit erwünscht: maximal 3 Namen auf einem Lösungsblatt - Lösungen handschriftlich in Papierform (dokumentenecht, geheftet, Name/Gruppe auf jedem Blatt) - wichtig: Gruppennummer deutlich rechts oben auf dem ersten Blatt Beispiel: Gruppe 2 Kästen für die Abgabe: hellgraue Kästen neben denen, die Sie im letzten Semester genutzt haben. Die Kästen sind mit "Physik 2 Gruppe..." beschriftet 6

7 Physikalisches Kolloquium - i.d.r. Di 16:30 im Hörsaal 2 - am schon um 16:00 (Festkolloquium) 7

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9 Literatur - Webseite der Vorlesung: zur Orientierung, keine optimale Lerngrundlage Skriptschreiber gesucht - Bücher: Einbändig: P. Tipler, G. Mosca: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure (Springer 2014) 79,98 D. Giancoli, Physik: Lehr- und Übungsbuch (Pearson Studium 2009) 79,95 D. Halliday, R. Resnick: Physik (Wiley-VCH 2009) 72,90 D. Meschede, C. Gerthsen: Physik (Springer 2015) 49,99 M. Alonso, E. Finn: Physik (Oldenbourg) 54,95 Mehrbändig: W. Demtröder: Experimentalphysik 1-4 (Springer) R. Feynman, R. Leighton, M. Sands: Feynman-Vorlesungen über Physik 1-3 (De Gruyter) J. Heintze, P. Bock: Lehrbuch zur Experimentalphysik 1 3 (Springer) W. Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 1 6 (Springer) L. D. Landau, J. M. Lifschitz: Lehrbuch der Theoretischen Physik 1 10 (Europa-Lehrmittel) Div. Autoren: Berkeley Physik Kurs 1 6 (Vieweg) Speziell für die klassische Elektrodynamik: J. D. Jackson: Klassische Elektrodynamik (De Gruyter 2013) 69,95 D. J. Griffiths: Elektrodynamik: Eine Einführung (Pearson Studium 2011) 59,95 Für die Klausur: H.-C. Mertins, M. Gilbert: Prüfungstrainer Experimentalphysik (Springer) 29,99 9

10 1. Elektrostatik Vorbemerkungen Einige elektrische und magnetische Phänomene schon seit dem Altertum bekannt: Reibungselektrizität, atmosphärische Entladungen (Gewitter), elektrische Phänomene bei Tieren (z.b. Zitterrochen/wels), magnetische Anziehung und Abstoßung, Licht. In der zweiten Hälfte des 17. Jh. gab es bereits erste "Elektrisiermaschinen", seit der 2. Hälfte des 18. Jh. wurden Elektrizität und Magmetismus systematisch erforscht. Mit den Maxwellschen Gleichungen (1864) wurde die klassische Elektrodynamik im Wesentliche vollendet (obwohl das Elektron erst 1897 entdeckt wurde und die Größe der Elementarladung erst um 1910 bestimmt wurde). Heute ist die Elektrodynamik eine wesentliche Grundlage unserer Zivilisation (Energiewirtschaft, elektrisches Licht, Rundfunk/Fernsehen, Computer, Smartphone, Playstation etc.). Elektrische und magnetische Kräfte bilden zusammen eine grundlegende Wechselwirkung. Die elektrische Anziehung/Abstoßung folgt einem ähnlichen Gesetz wie die Gravitation (Kraft nimmt quadratisch mit dem Abstand ab), aber die Wechselwirkung ist um viele Größenordnungen stärker und es gibt zwei "Massen" mit entgegengesetztem Vorzeichen: die positive und negative Ladung. Erstaunlich ist, dass beide stets in nahezu gleicher Anzahl vorkommen, so dass die elektrischen Kräfte relativ klein erscheinen. Magnetische Kräfte treten auf, wenn sich Ladungen bewegen. 10

11 Eine kurze Geschichte der Elektrodynamik Altertum Gewitter, elektrostat. Aufladung, Zitterwels, Magnetismus 1. Jh.v.Chr. Batterie (?) von Bagdad 11. Jh. Kompass (schwimmend) in Europa verwendet 13. Jh. Kompass (trocken) ~1600 William Gilbert: Magnetismus, "vis electrica" 17. Jh. Otto v. Guericke et al.: Elektrisiermaschinen 1751/52 Benjamin Franklin: Atmosphärische Elektrizität ~1770 Luigi Galvani: "tierische" Elektrizität 1775/80 Alessandro Volta: Elektrophor, Volta-Säule (Batterie) 1784/85 Charles de Coulomb: elektrostatische Kraft 1810 André Ampère: Elektromagnet 1826 Georg Ohm: Proportionalität von Spannung und Strom 1831 Michael Faraday: Strom aus Magnetismus (Induktion) 1841 Frederick de Moleyns: erste patentierte Glühbirne 1844 Samuel Morse: Telegrafenlinie Baltimore-Washington 1866 Werner v. Siemens: elektrische Maschine 1864 James Maxwell: Theorie der Elektrodynamik 1882 Werner v. Siemens: erster Oberleitungsbus (Berlin) 1886 Nicola Tesla: Energieübertragung mit Wechselstrom 1888 Heinrich Hertz: "Funk"wellen 1897 Ferdinand Braun: Kathodenstrahlröhre 1897 Joseph Thomson: Entdeckung des Elektrons 1901 Guglielmo Marconi: transatlantische Funkverbindung 1910 Robert Millikan: Bestimmung der Elementarladung 1911 Heike K. Onnes: Supraleitung 1925/34 Lilienfeld/Heil: erste Patente zum Transistor 1940er Feynman/Schwinger/Tomonaga: Quantenelektrodynamik 1944 erster elektronischer Rechner (ENIAC, US Army) 1983 erstes kommerzielles Mobiltelefon (Motorola) 1989 erster Gameboy ( ゲームボーイ, Nintendo) 11

12 Elektromagnetische Phänomene Atmosphärische Entladungen - Gewitter, Kugelblitze (selten), St.-Elms-Feuer Reibungselektrizität - schwache Anziehung/Abstoßung nach Reiben von nichtleitenden Körpern Magnetismus - schwache Anziehung/Abstoßung bestimmter Mineralien - Erdmagnetfeld Bioelektrizität - Zitteraal/wels Elektromagnetische Wellen - Licht, Wärmestrahlung Experiment zum Selbermachen: ein dünner Wasserstrahl wird von einem (durch bestimmungsgemäße Verwendung) elektrostatisch aufgeladenen Kamm abgelenkt 12

13 Die 1936 im heutigen Irak gefundene "Batterie von Bagdad" (bestehend aus einem Tongefäß, einem Kupferzylinder und einem Eisenstab) könnte bereits vor 2000 Jahren dazu gedient haben, eine elektrische Spannung zu erzeugen. Eine Anwendung hierfür ist jedoch nicht überliefert. Der "Kleistsche Stoß" (Elektroschock) wurde als Mittel gegen Zahnschmerzen eingesetzt. Der "elektrische Kuss" war im 18. Jahrhundert ein beliebtes Vergnügen. 13

14 1. 1 Die elektrische Ladung Eigenschaften - erkennbar an anziehenden/abstoßenden Kräften - an Materie gebunden (Elektronen, Ionen) - zwei Arten von Ladungen (positiv, negativ) - Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab - Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen ziehen sich an - es gibt eine kleinste Ladung (Elementarladung e) - nur ganzzahlige Vielfache von e wurden bislang beobachtet - Ladung kann nicht erzeugt/vernichtet werden (Erhaltungssatz) - man kann Ladungen transportieren (Körper, Teilchenstrahl) - Ladungen können sich in einem Körper umverteilen (Influenz) - Materie ist im Allgemeinen elektrisch neutral Ein Elektrometer basiert auf der abstoßenden Kraft gleichnamiger Ladungen, die sich hier auf einem festen und einem beweglichen metallischen Zeiger befinden. Meßinstrument - Elektroskop/Elektrometer (basiert auf elektrischer Abstoßung) Ein selbstgebautes Elektrometer (ideales Weihnachtsgeschenk) aus einem Marmeladenglas und einem Draht, an dem zwei Streifen Alufolie hängen Viktor Hess um 1910, Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Ballonaufstiege mit Elektrometern 14

15 Experimente Reibungselektrizität Verschiedene Versuche legen die Existenz von zwei Ladungen nahe: - ein mit Seide geriebener Glasstab lädt Elektrometer auf (Zeigerausschlag), ein mit Seide geriebener Kunststoffstab kompensiert die Ladung - ein drehbarer Kunststoffstab wird von einem anderen Kunststoffstab abgestoßen, nachdem beide mit Seide gerieben wurden - ein Glasstab wird vom Kunststoffstab angezogen - der Zeiger des Elektrometers schlägt auch aus, wenn sich ein geladener Stab der Kontaktplatte nähert, ohne sie zu berühren. Interpretation: Ladung wird umverteilt (Influenz) Bandgenerator Ein Gummiband transportiert Ladungen mechanisch zu einer hohlen Metallkugel, auf deren Oberfläche sich die Ladungen sammeln. Auf diese Weise entstehen Gleichspannungen über 100 kv. Feldlinien Darstellung von Feldlinien durch Grieskörner in Rizinusöl, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung an metallische Elektroden entlang der wirkenden Kraft verteilen. Die Kraft als Funktion der Position im Raum wird als Feld bezeichnet. Linien tangential zur Kraft heißen Feldlinien. 15

16 Einheit der elektrischen Ladung im SI-System 1 Coulomb = 1 C = 1 A s Einheit der elektrischen Ladung im cgs-system ("cgs" steht für centimeter gram second. Man findet dieses Einheitensystem z.b. oft in älteren amerikanischen Lehrbüchern. Innerhalb des cgs-systems wurden mehrere elektrostatische Einheitensysteme formuliert, die zu einer vereinfachten Schreibweise von physikalischen Gesetzen führen. Nachteilig ist, dass umständliche Einheiten für Größen entstehen, deren SI-Einheiten in der Technik und Experimentalphysik gebräuchlich sind, z.b. elektrischer Widerstand in s/cm statt Ohm). 1 elektrostatische Ladungseinheit = 1 ESL oder 1 electrostatic unit = 1 esu ESL 1 cm dyn C 1 Coulomb ist eine zusammengesetzte Einheit, und zwar aus den SI-Basiseinheiten 1 Ampere: Stromstärke, die zwischen parallelen (unendlich langen) Leitern im Abstand von 1 m eine Kraft von N pro m Leiterlänge bewirkt. 1 Sekunde: fache Periodendauer des Hyperfeinstrukturniveaus im Grundzustand von 133 Cs-Atomen. Elementarladung Es gibt eine kleinste (bisher gefundene) Ladung, die sog. Elementarladung e = 1, (98) C Anmerkungen zur experimentellen Bestimmung (Millikan-Versuch 1910) folgen später. 16

17 1.2 Das Coulombsche Kraftgesetz Kraft zwischen zwei Ladungen Q 1,2 im Abstand r 1 qq F( rq) e 2 4 r N m kg m 8, C A s A s A s 0 3 r in SI-Einheiten Charles Agustin de Coulomb Dielektrizitätskonstante (Permittivität des Vakuums) kg m V m qq F rq e in cgs-einheiten mit den Ladungen in ESL 2 r r Beispiel: 2 Protonen im Abstand von m = 4 fm F C e 9 N m 1,6 10 C ,4 N r C 4 10 m 2 Viel stärker als die Gravitation Ladungen sind schwer zu trennen starker Zusammenhalt von Materie Materie i.d.r. elektrisch neutral Im Atomkern muss eine noch stärkere attraktive Kraft wirken ("Starke Wechselwirkung") P -11 m 1,67 10 kg m FG G 6, ,2 10 N r kg s 4 10 m 17