Wolfgang Demtröder. Elektrizität und Optik
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- Frieda Meinhardt
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1 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 2 Elektrizität und Optik Mit 608, meist zweifarbigen Abbildungen, 11 Farbtafeln, 17 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 132 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen «f Springer
2 Inhaltsverzeichnis Elektrostatik BBgggjggfggjggggg^HBHB^^^HBHBMMnHaiiB 1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz Das elektrische Feld Elektrische Feldstärke Elektrischer Kraftfluß; Ladungen als Quellen des elektrischen Feldes Elektrostatisches Potential Potential und Spannung Potentialgleichung Äquipotentialflächen Spezielle Ladungsverteilungen Multipole Der elektrische Dipol Der elektrische Quadrupol Multipol-Entwicklung Leiter im elektrischen Feld Influenz Kondensatoren Die Energie des elektrischen Feldes Dielektrika im elektrischen Feld Dielektrische Polarisation Polarisationsladungen Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes in Materie Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum Die atomaren Grundlagen von Ladungen und elektrischen Momenten Der Millikan-Versuch Ablenkung von Elektronen und Ionen in elektrischen Feldern Molekulare Dipolmomente Elektrostatik in Natur und Technik Reibungselektrizität und Kontaktpotential Das elektrische Feld der Erde und ihrer Atmosphäre Die Entstehung von Gewittern Elektrostatische Staubfilter 36
3 X Inhaltsverzeichnis Elektrostatische Farbbeschichtung Elektrostatische Kopierer und Drucker 37 Zusammenfassung 38 Übungsaufgaben üer elektrische Strom ^ ^ ^ ^ ^ B B B H i ^ H i 2.1 Strom als Ladungstransport Elektrischer Widerstand und Ohmsches Gesetz Driftgeschwindigkeit und Stromdichte Das Ohmsche Gesetz Beispiele für die Anwendung des Ohmschen Gesetzes Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes fester Körper; Supraleitung Stromleistung und Joulesche Wärme Netzwerke; Kirchhoffsche Regeln Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Wheatstonesche Brückenschaltung Meßverfahren für elektrische Ströme Strommeßgeräte Schaltung von Amperemetern Strommeßgeräte als Voltmeter Ionenleitung in Flüssigkeiten Stromtransport in Gasen; Gasentladungen Ladungsträgerkonzentration Erzeugungsmechanismen für Ladungsträger Strom-Spannungs-Kennlinie Mechanismus von Gasentladungen Verschiedene Typen von Gasentladungen Stromquellen Innenwiderstand einer Stromquelle Galvanische Elemente Akkumulatoren Verschiedene Typen von Batterien Chemische Brennstoffzellen Thermische Stromquellen Kontaktpotential Thermoelektrische Spannung Peltier-Effekt 73 Zusammenfassung 74 Übungsaufgaben Statische Magnetfelder i 3.1 Permanentmagnete; Polstärke Magnetfelder stationärer Ströme Magnetischer Kraftfluß und magnetische Spannung Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters 81
4 Inhaltsverzeichnis Magnetfeld im Inneren einer langgestreckten Spule Das Vektorpotential Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung; Biot-Savart-Gesetz Beispiele zur Berechnung von magnetischen Feldern spezieller Stromanordnungen Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld Experimentelle Demonstration der Lorentz-Kraft Elektronen- und Ionenoptik mit Magnetfeldern Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Hall-Effekt Das Barlowsche Rad zur Demonstration der Elektronenreibung" in Metallen Kräfte zwischen zwei parallelen Stromleitern Elektromagnetisches Feld und Relativitätsprinzip Das elektrische Feld einer bewegten Ladung Zusammenhang zwischen elektrischem und magnetischem Feld Relativistische Transformation von Ladungsdichte und Strom Transformationsgleichungen für das elektromagnetische Feld Materie im Magnetfeld Magnetische Dipole Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Antiferro-, Ferrimagnete und Ferrite Feldgleichungen in Materie Elektromagnete Das Magnetfeld der Erde 110 Zusammenfassung 113 Übungsaufgaben 114 Zeitlich veränderliche Felder IHHHBMHHBMMMMiHHHiHI 4.1 Faradaysches Induktionsgesetz Lenzsche Regel Durch Induktion angefachte Bewegung Elektromagnetische Schleuder Wirbelströme Selbstinduktion und gegenseitige Induktion Selbstinduktion Gegenseitige Induktion Die Energie des magnetischen Feldes Der Verschiebungsstrom Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale
5 XII Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung 130 Übungsaufgaben Elektrotechnische Anwendungen MMHHHBBHHHH^^nMHHi 5.1 Elektrische Generatoren und Motoren Gleichstrommaschinen Wechselstromgeneratoren Wechselstrom Mehrphasenstrom; Drehstrom Wechselstromkreise mit komplexen Widerständen; Zeigerdiagramme Wechselstromkreis mit Induktivität Wechselstromkreis mit Kapazität Allgemeiner Fall Lineare Netzwerke; Hoch- und Tiefpässe; Frequenzfilter Hochpaß Tiefpaß Frequenzfilter Transformatoren Unbelasteter Transformator Belasteter Transformator Anwendungsbeispiele Gleichrichtung Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Brückenschaltung Kaskadenschaltung Impedanz-Anpassung bei Wechselstromkreisen Elektronenröhren Vakuum-Dioden Triode 156 Zusammenfassung 157 Übungsaufgaben Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung elektromagnetischer Wellen MMNMHHHBHHBi 6.1 Der elektromagnetische Schwingkreis Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen Erzwungene Schwingungen Gekoppelte Schwingkreise Erzeugung ungedämpfter Schwingungen Offene Schwingkreise; Hertzscher Dipol Experimentelle Realisierung eines Senders Das elektromagnetische Feld des schwingenden Dipols Die Abstrahlung des schwingenden Dipols Die abgestrahlte Leistung 175
6 Inhaltsverzeichnis XIII Strahlungsdämpfung Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung 177 Zusammenfassung 180 Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen im Vakuum HHBHHnNWi 7.1 Die Wellengleichung Ebene elektrische Wellen Periodische Wellen Polarisation elektromagnetischer Wellen Linear polarisierte Wellen Zirkular polarisierte Wellen Elliptisch polarisierte Wellen Unpolarisierte Wellen Das Magnetfeld elektromagnetischer Wellen Energie- und Impulstransport durch elektromagnetische Wellen Messung der Lichtgeschwindigkeit Die astronomische Methode von Ole R0mer Die Zahnradmethode von Fizeau Phasenmethode Bestimmung von c aus der Messung von Frequenz und Wellenlänge Stehende elektromagnetische Wellen Eindimensionale stehende Wellen Dreidimensionale stehende Wellen; Hohlraumresonatoren Wellen in Wellenleitern und Kabeln Wellen zwischen zwei planparallelen leitenden Platten Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt Drahtwellen; Lecherleitung; Koaxialkabel Beispiele für Wellenleiter Das elektromagnetische Frequenzspektrum 204 Zusammenfassung 206 Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen in Materie Brechungsindex Makroskopische Beschreibung Mikroskopisches Modell Absorption und Dispersion Lichtstreuung Kohärente Streuung; Interferenz Inkohärente Streuung Streuquerschnitte Lichtstreuung in unserer Atmosphäre Streuung an Mikropartikeln; Mie-Streuung 221
7 XIV Inhaltsverzeichnis 8.4 Wellengleichung für elektromagnetische Wellen in Materie Wellen in nichtleitenden Medien Wellen in leitenden Medien Die elektromagnetische Energie von Wellen in Medien Wellen an Grenzflächen zwischen zwei Medien Randbedingungen für elektrische und magnetische Feldstärke Reflexions- und Brechungsgesetz Amplitude und Polarisation von reflektierten und gebrochenen Wellen Reflexions- und Transmissionsvermögen einer Grenzfläche Brewsterwinkel Totalreflexion Änderung der Polarisation bei schrägem Lichteinfall Phasenänderung bei der Reflexion Reflexion an Metalloberflächen Lichtausbreitung in nichtisotropen Medien; Doppelbrechung Ausbreitung von Lichtwellen in anisotropen Medien Brechungsindex-Ellipsoid Doppelbrechung Erzeugung und Anwendung von polarisiertem Licht Erzeugung von linear polarisiertem Licht durch Reflexion Erzeugung von linear polarisiertem Licht beim Durchgang durch dichroitische Kristalle Doppelbrechende Polarisatoren Polarisationsdreher Optische Aktivität Spannungsdoppelbrechung Nichtlineare Optik Optische Frequenzverdopplung Optische Frequenzmischung 247 Zusammenfassung 248 Übungsaufgaben Geometrische Optik HHMHHHNBHBHHnnHHHH 9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik Die optische Abbildung Hohlspiegel Prismen Linsen Brechung an einer gekrümmten Fläche Dünne Linsen Dicke Linsen Linsensysteme 264
8 Inhaltsverzeichnis XV Linsenfehler Die aplanatische Abbildung Matrixmethoden der geometrischen Optik Grundlagen der Matrixbeschreibung Transformationsmatrix einer Linse Abbildungsmatrix Matrizen von Linsensystemen Geometrische Optik der Erdatmosphäre Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre Regenbogen 279 Zusammenfassung 281 Übungsaufgaben Interferenz und Beugung ^ I^HHHHMWiHi 10.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz Erzeugung und Überlagerung kohärenter Wellen Experimentelle Realisierung der Zweistrahl-Interferenz Fresnelscher Spiegelversuch Youngscher Doppelspaltversuch Interferenz an einer planparallelen Platte Michelson-Interferometer Das Michelson-Morley-Experiment Vielstrahl-Interferenz Fabry-Perot-Interferometer Dielektrische Spiegel Antireflexschicht Beugung Beugung am Spalt Beugungsgitter Fraunhofer- und Fresnel-Beugung Fresnelsche Zonen Fresnelsche Zonenplatte Allgemeine Behandlung der Beugung Das Beugungsintegral Fresnel-Beugung an einem Spalt Fresnel-Beugung an einer Kante Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Öffnung Babinetsches Theorem 313 Zusammenfassung 314 Übungsaufgaben Optische Instrumente und Techniken ^i^^^^^^^bhhi 11.1 Das Auge Aufbau des Auges Kurz- und Weitsichtigkeit Räumliche Auflösung und Empfindlichkeit des Auges 319
9 XVI Inhaltsverzeichnis 11.2 Vergrößernde optische Instrumente Die Lupe Das Mikroskop Das Fernrohr Die Rolle der Beugung bei optischen Instrumenten Auflösungsvermögen des Fernrohrs Auflösungsvermögen des Auges Auflösungsvermögen des Mikroskops Abbesche Theorie der Abbildung Die Lichtstärke optischer Instrumente Konfokale Mikroskopie Spektrographen und Monochromatoren Prismenspektrographen Gittermonochromator Das spektrale Auflösungsvermögen von Spektrographen Ein allgemeiner Ausdruck für das spektrale Auflösungsvermögen Adaptive Optik Holographie Aufnahme eines Hologramms Die Rekonstruktion des Wellenfeldes Anwendungen der Holographie 341 Zusammenfassung 342 Übungsaufgaben Thermische Strahlung; Photonen IIHMKMHBMHHMHHMHMHMMi 12.1 Emissions- und Absorptionsvermögen eines Körpers Charakteristische Größen thermischer Strahlung Hohlraumstrahlung Das Plancksche Strahlungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Das Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz Photonen 357 Zusammenfassung 360 Übungsaufgaben 360 Lösungen der Übungsaufgaben 363 Farbtafeln 415 Literaturverzeichnis 423 Sachwortverzeichnis 427
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