Wolfgang Demtröder. Elektrizität und Optik

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1 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 2 Elektrizität und Optik Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 635, meist zweifarbigen Abbildungen, 11 Farbtafeln, 17 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 137 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen {Hs Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1. Elektrostatik a^hhhmaamhahbamh HHaHBaHHHaHH HH«HI 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 Multipolentwicklung 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 XII Inhaltsverzeichnis Elektrostatische Farbbeschichtung Elektrostatische Kopierer und Drucker 37 Zusammenfassung 38 Übungsaufgaben 39 Der elektrische Strom ^ ^ i ^ ^ H I B H I H 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 ^ ^^ ^ B 3.1 Permanentmagnete; Polstärke Magnetfelder stationärer Ströme Magnetischer Kraftfluß und magnetische Spannung Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters 81

4 Inhaltsverzeichnis XIII 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 Lorentzkraft 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 111 Zusammenfassung 114 Übungsaufgaben Zeitlich veränderliche Felder ^^ ihb^hhi^^bih^^^h 4.1 Faradaysches Induktionsgesetz Lenzsche Regel Durch Induktion angefachte Bewegung Elektromagnetische Schleuder Magnetische Levitation Wirbelströme Selbstinduktion und gegenseitige Induktion Selbstinduktion Gegenseitige Induktion Die Energie des magnetischen Feldes Der Verschiebungsstrom 127

5 XIV Inhaltsverzeichnis 4.6 Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale Zusammenfassung 132 Übungsaufgaben Elektrotechnische Anwendungen ^^ ^l 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 159 Zusammenfassung 160 Übungsaufgaben Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung elektromagnetischer Wellen HHMMMMMHH 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.... ; 177

6 Inhaltsverzeichnis XV Die abgestrahlte Leistung Strahlungsdämpfung Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung 179 Zusammenfassung 182 Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen im Vakuum ^^^H^HHHHHMHHH 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 207 Zusammenfassung 209 Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen in Materie ^^^^HMBHBHMMB^^H 8.1 Brechungsindex Makroskopische Beschreibung Mikroskopisches Modell Absorption und Dispersion Lichtstreuung Kohärente Streuung; Interferenz Inkohärente Streuung Streuquerschnitte Lichtstreuung in unserer Atmosphäre 224

7 XVI Inhaltsverzeichnis Streuung an Mikropartikeln; Mie-Streuung 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 Phasenanpassung Optische Frequenzmischung 254 Zusammenfassung 255 Übungsaufgaben 256 Geometrische Optik ^ ^^^ WI^MM 9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik Die optische Abbildung Hohlspiegel Prismen Linsen Brechung an einer gekrümmten Fläche Dünne Linsen 267

8 Inhaltsverzeichnis XVII Dicke Linsen Linsensysteme Zoom-Linsensysteme Linsenfehler Die aplanatische Abbildung Matrixmethoden der geometrischen Optik Die Translationsmatrix Die Brechungsmatrix Die Reflexionsmatrix Transformationsmatrix einer Linse Abbildungsmatrix Matrizen von Linsensystemen Jones-Vektoren Geometrische Optik der Erdatmosphäre Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre Regenbogen 288 Zusammenfassung 290 Übungsaufgaben Interferenz und Beugung ^^ ^^ ^^ l 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 Sagnac-Interferometer Mach-Zehnder Interferometer 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- und Fraunhofer-Beugung an einem Spalt Fresnel-Beugung an einer Kante Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Öffnung Babinetsches Theorem Fourierdarstellung der Beugung 327

9 XVIII Inhaltsverzeichnis Fourier-Transformation Anwendung auf Beugungsprobleme 328 Zusammenfassung 330 Übungsaufgaben Optische Instrumente l^^^l 11.1 Das Auge Aufbau des Auges Kurz- und Weitsichtigkeit Räumliche Auflösung und Empfindlichkeit des Auges 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 Spektrographen und Monochromatoren Prismenspektrographen Gittermonochromator Das spektrale Auflösungsvermögen von Spektrographen Ein allgemeiner Ausdruck für das spektrale Auflösungsvermögen 352 Zusammenfassung 354 Übungsaufgaben Neue Techniken in der Optik H H H 12.1 Konfokale Mikroskopie Optische Nahfeldmikroskopie Aktive und adaptive Optik Aktive Optik Adaptive Optik Diffraktive Optik Holographie Aufnahme eines Hologramms Die Rekonstruktion des Wellenfeldes Weißlichtholographie Holographische Interferometrie Anwendungen der Holographie Fourieroptik Die Linse als Fouriertransformator Optische Filterung 375

10 Inhaltsverzeichnis XIX Optische Mustererkennung Integrierte Optik Lichtausbreitung in optischen Wellenleitern Lichtmodulation Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern Integrierte optische Elemente Optische Nachrichtenübertragung Optische Lichtleitfasern Pulsausbreitung in Fasern 383 Zusammenfassung 386 Übungsaufgaben 387 Lösungen der Übungsaufgaben 389 Farbtafeln 443 Literaturverzeichnis 451 Sachwortverzeichnis 457