E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 11. Vorlesung

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1 E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 11. Vorlesung Heute: 1. Klausur Ergebnisse & Tips Diffusion & Stofftransport Thermodynamische Potentiale Einführung & Motivation: Elektromagnetismus! Ergebnisse der 1. Klausur auf der Vorlesungswebseite! Prof. Dr. Jan Lipfert Prof. Dr. Jan Lipfert 1

2 Datum Vorlesung Übungen Mo Wärmetransport + TD Potentiale* ) Abgabe 5. Übungsblatt**) Di Zentralübung: 5. Übungsblatt 12:0014:00, Großer PhysikHS Mi Keine Übungen Do 1. Klausur: Thermodynamik (kein Vorrechnen für 5. Blatt) Fr Mo Feiertag (Pfingsten) Di Mi Normale Übungstermine Do 1. Vorlesung Elektromagnetismus Besprechung der Klausur Fr Mo 2. Vorlesung Elektromagnetismus Ausgabe 6. Übungsblatt Di Mi Keine Übungen Do Feiertag (Fronleichnam) 1.6. Fr * ) Optional für E2p Prof. Dr. Jan Lipfert ** ) Einige Aufgaben 2 optional für E2p

3 Tips zum Lernen Grundlage zum Nacharbeiten & zur Klausurvorbereitung: Vorlesungfolien und eigene Vorlesungsmitschrift Ergänzend, für verpasste Vorlesungen, für eine andere Perspektive, für Hintergründe oder weiterführende Themen: Lehrbücher (siehe konkrete Angaben auf der Webseite) (Insbesondere) in der Physik reicht Zuhören / Nachlesen nicht aus, Anwendung & aktives Verwenden des Stoffes in Aufgaben ist wichtig! Grundlage dafür sind die Übungsblätter & Tutorien. Ergänzend und zur gezielten Klausurvorbereitung: Übungsaufgaben aus den verschiedenen Lehrbüchern (viele Bücher bieten zumindest für einen Teil der Aufgaben Lösungen an) Lernen Sie im Team, zusammen mit Gleichgesinnten aus dem Semester! Prof. Dr. Jan Lipfert 3

4 Fouriersches Gesetz: Warmes Reservoir Wiederholung: Wärmeleitung Fouriersches Gesetz, allgemein: x Q t = A T x Kaltes Reservoir ~j = ~q = ~rt = c ~ r ( ~ rt ) Substanz Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) Wärmeleitfähigkeit [ W/(m K) ] Kupfer 400 Aluminium 230 Eisen 80 Blei 35 Wasser 0,6 Luft 0, Prof. Dr. Jan Lipfert 4

5 Wiederholung: Wärmestrahlung Alle Körper mit einer Temperatur T strahlen elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Intensität und einem bestimmten Spektrum ab. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz (1859) (ε = Emissionskoeffizient; α = Absorptionskoeffizient) StefanBoltzmann Gesetz (1879, 1884) Gustav_Kirchhoff Gustav Kirchhoff ( ) Thermisch abgestrahlte (Gesamt) Leistung: StefanBoltzmann Konstante: σ = 5, W/(m 2 K 4 ) Josef Stefan ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 5 Ludwig Boltzmann ( )

6 StefanBoltzmann und die Temperatur der Sonne Josef Stefan ( ) Ludwig Boltzmann ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 6

7 Wiederholung: Wiensches und Plancksches Strahlungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz (1893): Maximum der Strahlungsintensität des Schwarzkörpers liegt bei Planksches Strahlungsgesetz (1900): Die spektrale Energiedichte (abgestrahlte Leistung pro Fläche und pro Wellenlängeninterval) des Schwarzkörpers: Wilhelm Wien ( ) Max Planck ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 7

8 PINGO: Schwarzkörperstrahlung Die Oberfläche der Sonne hat eine Temperatur von ca K und emittiert ein SchwarzkörperSpektrum, das sein Maximum bei etwa 500 nm hat. Für einen Körper mit einer Temperatur von 300 K, wo würden Sie das Maximum der thermischen Emission erwarten? A) 10 µm B) 100 µm C) 10 mm D) 100 mm E) 10 m Prof. Dr. Jan Lipfert 8

9 Konzentrationsunterschiede führen zu einem Teilchenstrom: Stofftransport und Diffusion n ~j = Teilchenzahldichte = Teilchenstromdichte Adolf_Eugen_Fick Adolf Fick ( ) CuSO 4 Diffusion Prof. Dr. Jan Lipfert 9

10 Allgemeine Diffusionsgleichung Adolf_Eugen_Fick Adolf Fick ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 10

11 Brownsche Bewegung Brownsche Bewegung (1827): thermische Zufallsbewegung mikroskopischer Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen Quantitativ vermessen durch Wiener (1863) und Perrin (Nobelpreis 1926) Datei:Robert_brown_botaniker.j pg Robert Brown ( ) Theoretische Beschreibung durch Einstein (1905), Smoluchowski (1906) & Langevin (1908) Brownsche Bewegung Prof. Dr. Jan Lipfert 11

12 Thermodynamische Potentiale Innere Energie: du = TdS pdv + µdn Enthalpie: Prof. Dr. Jan Lipfert 12 Schroeder, Thermal Physics

13 Thermodynamische Potentiale Freie Energie (= Helmholtz Potential): Hermann_von_Helmholtz Hermann von Helmholtz ( ) Josiah_Willard_Gibbs Josiah Willard Gibbs ( ) Freie Enthalpie (= Gibbs Potential): Prof. Dr. Jan Lipfert 13

14 Wärmestrahlung und Röntgenblick James Bond mit Röntgenbrille : The World Is Not Enough, Prof. Dr. Jan Lipfert 14

15 MOTIVATION Elektromagnetismus in Alltag und Forschung Prof. Dr. Jan Lipfert 15

16 Elektrodynamik im Alltag commons/b/b4/chef_pepin_toaster.jpg en.wikipedia.org/wiki/ Laptop_cooler /wiki/notebook Prof. Dr. Jan Lipfert 16

17 Elektromagnetische Wellen von Radio bis Röntgen Wilhelm_Conrad_Röntgen Was haben dieses Strahlen/Wellen gemeinsam? Was unterscheidet sie? Farbwahrnehmung Aj4zRIbtYavosQ4PtWbWlIMKrel1aKPn4uxmkqOSkFy.jpg Prof. Dr. Jan Lipfert 17

18 Elektrische Methoden im (Bio)Physik Labor Elektrochemie Elektroporation Elektrophorese knifeforcancer / Prof. Dr. Jan Lipfert 18

19 Elektrodynamik in der Physiologie/Biologie Nervenleitung z.b. HodgkinHuxley Model: Neuronen als Schaltkreise (Nobelpreis 1963) Elektrokardiogramm (EKG) Ionenkanäle z.b. patchclamp Technik (Nobelpreis 1991) Elektrische Messungen ermöglichen Einblicke in die (Patho)physiologie des Herzens (Nobelpreis für Willem Einthoven 1924) medicine/laureates/1991/ Prof. Dr. Jan Lipfert 19

20 Elektrodynamik und Optik in Messverfahren Optische Phänomene Geometrische Optik Gerade in München: Hochpräzise Laserspektroskopie Prof. Hänsch (LMU) Physik Nobelpreis Prof. Dr. Jan Lipfert 20

21 Elektrodynamik als erste Feldtheorie MaxwellGleichungen für das elektrische Feld E und magnetische Feld B: r ~ E = 0 r ~ B =0 r ~ E = r ~ B = µ ~ ~j + ~ James_Clerk_Maxwell James Clerk Maxwell ( ) Feld: Physikalischen Größe, die jedem Punkt im Raum und in der Zeit einen Wert (Skalar, Vektor, Tensor, etc.) zuordnet Prof. Dr. Jan Lipfert 21

22 Elektrische Kräfte und der Aufbau von Materie NaClKristall NaCl#/media/File:Halite_crystal.jpg H 2 Molekül + + Makromoleküle [Oryza sativa Lipid Transfer Protein 1 bound to Palmitic acid (black). Positive charge in blue, negative charge in red.] Prof. Dr. Jan Lipfert 22

23 Elektrostatik Prof. Dr. Jan Lipfert 23

24 Zwei unterschiedliche Ladungen Thales von Milet, Griechenland (550 v.chr.): Nachdem Bernstein (griechisch ηλεκτρόν) an einem trockenen Fell gerieben wurde übt er eine anziehende Kraft auf Vogelfedern oder Haare aus. Charles du Fay, Frankreich ( ): Zwei Arten von (Reibungs)Elektrizität ( vitreuse und resineuse, Glas und Harz) können sich gegenseitig neutralisieren. Benjamin Franklin, U.S.A ( ), sprach von einer Ladungsart (einem Fluid), welche nur ihren Aufenthaltsort verändert und somit (positive oder negative) Aufladung verursacht wikipedia/commons/6/67/ Thales06.jpg Experiment: Statische Elektrizität mit Plastikstange Es gibt positive und negative Ladungen. Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab, Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an Prof. Dr. Jan Lipfert 24

25 Elektrische Kräfte Ladungsverschiebung Experiment: Vorzeichen der Ladung Experiment: Reibungselektrizität Aufladen Prof. Dr. Jan Lipfert 25