Inhaltsverzeichnis
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Inhaltsverzeichnis Elektrostatik 1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz 1.1.1 Maßsysteme Das elektrische Feld 1.2.1 Elektrische Feldstärke Elektrischer Ladungen als Quellen des elektrischen Feldes 1.3 Elektrostatisches Potential 1.3.1 Potential und Spannung 1.3.2 Potentialgleichung 1.3.3 Äquipotentialflächen 1.3.4 Spezielle Ladungsverteilungen 1.4 Multipole 1.4.1 Der elektrische Dipol 1.4.2 Der elektrische Quadrupol 1.4.3 Multipolentwicklung* Leiter im elektrischen Feld 1.5.1 Influenz 1.5.2 Kondensatoren Die Energie des elektrischen Feldes Dielektrika im elektrischen Feld 1.7.1 Dielektrische Polarisation 1.7.2 Polarisationsladungen Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes in Materie* Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum 1.8 Die atomaren Grundlagen von Ladungen und elektrischen Momenten . . 1.8.1 Versuch Ablenkung von Elektronen und Ionen in elektrischen Feldern 1.8.3 Molekulare Dipolmomente Elektrostatik in Natur und Technik 1.9.1 Reibungselektrizität und Kontaktpotential Das elektrische Feld der Erde und ihrer Atmosphäre 1.9.3 Die Entstehung von Gewittern 1.9.4 Kugelblitze 1.9.5 Elektrostatische Staubfilter Elektrostatische Farbbeschichtung 1.9.7 Elektrostatische Kopierer und Drucker 1.9.8 Elektrostatische Aufladung und Neutralisierung Zusammenfassung Übungsaufgaben Demtröder, Wolfgang Experimentalphysik 1994- 1 2 3 5 5 8 9 9 10 13 14 16 16 18 19 22 23 23 25 26 28 30 30 34 34 35 36 36 37 37 38 39 39 41 digitalisiert durch: IDS Luzern Inhaltsverzeichnis Der elektrische Strom 2.1 Strom als Ladungstransport 2.2 Elektrischer Widerstand und Ohm'sches Gesetz Driftgeschwindigkeit und Stromdichte 2.2.2 Das Gesetz 2.2.3 Beispiele für die Anwendung des Ohm'schen Gesetzes 2.2.4 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes fester Körper; Supraleitung 2.3 Stromleistung und Joule'sche Wärme 2.4 Netzwerke; Regeln Reihenschaltung von Widerständen 2.4.2 Parallelschaltung von Widerständen 2.4.3 Wheatstone'sche Brückenschaltung 2.5 Messverfahren für elektrische Ströme 2.5.1 Strommessgeräte 2.5.2 Schaltung von Amperemetern 2.5.3 Strommessgeräte als Voltmeter 2.6 Ionenleitung in Flüssigkeiten 2.7 Stromtransport in Gasen; Gasentladungen 2.7.1 Ladungsträgerkonzentration 2.7.2 Erzeugungsmechanismen für Ladungsträger 2.7.3 Strom-Spannungs-Kennlinie 2.7.4 Mechanismus von Gasentladungen 2.7.5 Verschiedene Typen von Gasentladungen 2.8 Stromquellen 2.8.1 Innenwiderstand einer Stromquelle 2.8.2 Galvanische Elemente 2.8.3 Akkumulatoren 2.8.4 Verschiedene Typen von Batterien 2.8.5 Chemische Brennstoffzellen 2.9 Thermische Stromquellen 2.9.1 Kontaktpotential 2.9.2 Der Seebeck-Effekt 2.9.3 Thermoelektrische Spannung 2.9.4 Peltier-Effekt 2.9.5 Thermoelektrische Konverter 2.9.6 Thomson Effekt Zusammenfassung Übungsaufgaben Statische Magnetfelder 3.1 Permanentmagnete 3.2 Magnetfelder stationärer Ströme 3.2.1 Magnetischer Kraftfluss und magnetische Spannung 3.2.2 Das Magnetfeld eines geraden Stromleiters 3.2.3 Magnetfeld im Inneren einer lang gestreckten Spule 3.2.4 Das Vektorpotential 3.2.5 Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung; Biot-Savart-Gesetz 3.2.6 Beispiele zur Berechnung von magnetischen Feldern spezieller Stromanordnungen 3.3 Kräfte auf bewegte Ladungen im Magnetfeld 3.3.1 Kräfte Leiter im Magnetfeld 3.3.2 Kräfte zwischen zwei parallelen Stromleitern 3.3.3 Experimentelle Demonstration der Lorentzkraft 43 44 45 46 48 49 50 54 55 56 56 56 57 57 58 59 59 61 61 62 62 64 66 67 68 68 70 73 74 74 75 75 77 77 78 80 80 83 84 85 86 87 87 88 88 89 94 95 95 96 Inhaltsverzeichnis 3.3.4 3.3.5 3.3.6 Ionenoptik mit Magnetfeldern Hall-Effekt Das Barlow'sche Rad zur Demonstration der „Elektronenreibung" in Metallen 3.4 Elektromagnetisches Feld und Relativitätsprinzip* 3.4.1 Das elektrische Feld einer bewegten Ladung 3.4.2 Zusammenhang zwischen elektrischem und magnetischem Feld 3.4.3 Relativistische Transformation von Ladungsdichte und Strom 3.4.4 Transformationsgleichungen für das elektromagnetische Feld 3.5 Materie im Magnetfeld 3.5.1 Magnetische Dipole 3.5.2 Magnetisierung und magnetische Suszeptibilität 3.5.3 Diamagnetismus 3.5.4 Paramagnetismus 3.5.5 3.5.6 Antiferro-, und Ferrite 3.5.7 Feldgleichungen in Materie* 3.5.8 3.6 Das Magnetfeld der Erde Zusammenfassung Übungsaufgaben 4 5 97 99 100 100 100 105 106 106 108 109 115 119 Zeitlich veränderliche Felder 4.1 Faraday'sches Induktionsgesetz 4.2 Lenz'sche Regel 4.2.1 Durch Induktion angefachte Bewegung 4.2.2 Elektromagnetische Schleuder 4.2.3 Magnetische Levitation 4.2.4 Wirbelströme 4.3 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion 4.3.1 Selbstinduktion 4.3.2 Gegenseitige Induktion 4.4 Die Energie des magnetischen Feldes 4.5 Der Verschiebungsstrom 4.6 Maxwell-Gleichungen und elektrodynamische Potentiale Zusammenfassung Übungsaufgaben 123 124 Elektrotechnische Anwendungen* 5.1 Elektrische Generatoren und Motoren 5.1.1 Gleichstrommaschinen 5.1.2 Wechselstromgeneratoren 5.2 Wechselstrom 5.3 Mehrphasenstrom; Drehstrom 5.4 Wechselstromkreise mit komplexen Widerständen; Zeigerdiagramme . . . 5.4.1 Wechselstromkreis mit Induktivität 5.4.2 Wechselstromkreis mit Kapazität 5.4.3 Allgemeiner Fall 5.5 Lineare Netzwerke; Tiefpässe; Frequenzfilter 5.5.1 Hochpass 5.5.2 Tiefpass 5.5.3 Frequenzfilter 141 142 144 146 147 149 151 152 152 152 154 154 155 127 127 128 128 129 129 132 134 134 136 138 XI XII I Inhaltsverzeichnis 5.6 Transformatoren 5.6.1 Unbelasteter Transformator 5.6.2 Belasteter Transformator 5.6.3 Anwendungsbeispiele 5.7 Impedanz-Anpassung bei Wechselstromkreisen 5.8 Gleichrichtung 5.8.1 Einweggleichrichtung 5.8.2 Zweiweggleichrichtung 5.8.3 Brückenschaltung 5.8.4 Kaskadenschaltung 5.9 Elektronenröhren 5.9.1 Vakuum-Dioden 5.9.2 Triode Zusammenfassung Übungsaufgaben 6 7 Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung elektromagnetischer Wellen 6.1 Der elektromagnetische Schwingkreis 6.1.1 Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen 6.1.2 Erzwungene Schwingungen 6.2 Gekoppelte Schwingkreise 6.3 Erzeugung ungedämpfter Schwingungen 6.4 Offene Schwingkreise; Hertz'scher Dipol Experimentelle Realisierung eines Senders 6.4.2 Das elektromagnetische Feld des schwingenden Dipols 6.5 Die des schwingenden Dipols 6.5.1 Die abgestrahlte Leistung 6.5.2 Strahlungsdämpfung 6.5.3 Frequenzspektrum der abgestrahlten Leistung 6.5.4 Die Abstrahlung einer beschleunigten Ladung Zusammenfassung Übungsaufgaben Elektromagnetische Wellen im Vakuum 7.1 Die Wellengleichung 7.2 Ebene elektrische Wellen 7.3 Periodische Wellen 7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen 7.4.1 Linear polarisierte Wellen 7.4.2 Zirkular polarisierte Wellen 7.4.3 Elliptisch polarisierte Wellen 7.4.4 Unpolarisierte Wellen 7.5 Das Magnetfeld elektromagnetischer Wellen 7.6 Energie- und Impulstransportdurch elektromagnetische Wellen 7.7 Messung der Lichtgeschwindigkeit 7.7.1 Die astronomische Methode von R0mer 7.7.2 Die Zahnradmethode von Fizeau 7.7.3 Die Drehspiegelmethode von Foucault 7.7.4 Phasenmethode 7.7.5 Bestimmung von c aus der Messung von Frequenz und Wellenlänge 7.8 Stehende elektromagnetische Wellen 7.8.1 Eindimensionale stehende Wellen 157 158 158 160 160 161 162 162 162 164 164 164 165 167 169 170 170 172 175 176 178 183 183 184 184 185 188 188 191 192 192 193 194 194 195 195 195 195 197 200 200 201 201 202 202 203 203 Inhaltsverzeichnis I 7.8.2 Dreidimensionale stehende Wellen; Hohlraumresonatoren 7.9 Wellen in Wellenleitern und Kabeln* Wellen zwischen zwei planparallelen leitenden Platten 7.9.2 Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt 7.9.3 Drahtwellen; Lecherleitung; Koaxialkabel 7.9.4 Beispiele für Wellenleiter 7.10 Das elektromagnetische Frequenzspektrum Zusammenfassung Übungsaufgaben 8 Elektromagnetische Wellen in Materie 8.1 Brechungsindex 8.1.1 Makroskopische Beschreibung 8.1.2 Mikroskopisches Modell 8.2 Absorption und Dispersion 8.3 Wellengleichung für elektromagnetische Wellen in Materie 8.3.1 Wellen in nichtleitenden Medien 8.3.2 Wellen in leitenden Medien 8.3.3 Die elektromagnetische Energie von Wellen in Medien 8.4 Wellen an Grenzflächen zwischen zwei Medien Randbedingungen für elektrische und magnetische Feldstärke 8.4.2 Reflexions- und Brechungsgesetz 8.4.3 Amplitude und Polarisation von reflektierten und gebrochenen Wellen 8.4.4 Reflexions- und Transmissionsvermögen einer Grenzfläche 8.4.5 Brewsterwinkel 8.4.6 Totalreflexion 8.4.7 Änderung der Polarisation bei schrägem Lichteinfall 8.4.8 Phasenänderung bei der Reflexion 8.4.9 Reflexion an Metalloberflächen 8.4.10 Medien mit negativem Brechungsindex* Photonische Kristalle* 8.5 Lichtausbreitung in nichtisotropen Medien; Doppelbrechung 8.5.1 Ausbreitung von Lichtwellen in anisotropen Medien 8.5.2 Brechungsindex-Ellipsoid 8.5.3 Doppelbrechung 8.6 Erzeugung und Anwendung von polarisiertem Licht Erzeugung von linear polarisiertem Licht durch Reflexion 8.6.2 Erzeugung von linear polarisiertem Licht beim Durchgang durch dichroitische Kristalle 8.6.3 Doppelbrechende Polarisatoren 8.6.4 Polarisationsdreher 8.6.5 Optische Aktivität 8.6.6 Spannungsdoppelbrechung 8.7 Nichtlineare Optik 8.7.1 Optische Frequenzverdopplung 8.7.2 Phasenanpassung 8.7.3 Optische Frequenzmischung 8.7.4 Erzeugung hoher Harmonischer Zusammenfassung Übungsaufgaben 204 206 206 208 213 214 216 219 220 220 221 223 227 227 228 231 231 232 232 233 235 236 237 238 239 240 241 242 243 243 245 246 248 249 249 250 251 252 254 254 255 255 257 257 258 259 XIII XIV I Inhaltsverzeichnis 9 10 Geometrische Optik 9.1 Grundaxiome der geometrischen Optik 9.2 Die optische Abbildung 9.3 Hohlspiegel 9.4 Prismen 9.5 Linsen 9.5.1 Brechung an einer gekrümmten Fläche 9.5.2 Dünne Linsen 9.5.3 Dicke Linsen 9.5.4 Linsensysteme 9.5.5 Zoom-Linsensysteme 9.5.6 Linsenfehler 9.5.7 Die aplanatische Abbildung 9.5.8 Asphärische Linsen 9.6 Matrixmethoden der geometrischen Optik* 9.6.1 Die Translationsmatrix 9.6.2 Die Brechungsmatrix 9.6.3 Die Reflexionsmatrix 9.6.4 Transformationsmatrix einer Linse 9.6.5 Abbildungsmatrix 9.6.6 Matrizen von Linsensystemen 9.6.7 9.7 Geometrische Optik der Erdatmosphäre 9.7.1 Ablenkung von Lichtstrahlen in der Atmosphäre 9.7.2 Scheinbare Größe des aufgehenden Mondes 9.7.3 Fata Morgana 9.7.4 Regenbogen Zusammenfassung Übungsaufgaben Interferenz, Beugung und Streuung 10.1 Zeitliche und räumliche Kohärenz 10.2 Erzeugung und Überlagerung kohärenter Wellen 10.3 Experimentelle Realisierung der Zweistrahl-Interferenz 10.3.1 Fresnel'scher Spiegelversuch 10.3.2 Young'scher Doppelspaltversuch 10.3.3 Interferenz an einer planparallelen Platte 10.3.4 10.3.5 Das 10.3.6 10.3.7 Mach-Zehnder Interferometer 10.4 10.4.1 10.4.2 Dielektrische Spiegel 10.4.3 Antireflexschicht 10.4.4 Anwendungen der Interferometrie 10.5 Beugung 10.5.1 Beugung als Interferenzphänomen 10.5.2 Beugung am Spalt 10.5.3 Beugungsgitter 10.6 Fraunhofer- und Fresnel-Beugung 10.6.1 Fresnel'sche Zonen 10.6.2 Fresnel'sche Zonenplatte 10.7 Allgemeine Behandlung der Beugung* 10.7.1 Das Beugungsintegral 262 263 265 268 270 270 271 273 275 276 277 285 286 287 287 287 288 288 289 289 290 292 292 293 293 294 297 297 299 300 301 302 303 303 305 306 308 310 311 313 316 317 318 320 320 321 323 326 327 329 330 330 Inhaltsverzeichnis 11 10.7.2 Fraunhofer-Beugung an einem Spalt 10.7.3 Fresnel-Beugung an einer Kante 10.7.4 Fresnel-Beugung an einer kreisförmigen Öffnung 10.7.5 Babinet'sches Theorem 10.8 Fourierdarstellung der Beugung* 10.8.1 10.8.2 Anwendung auf Beugungsprobleme 10.9 Lichtstreuung 10.9.1 Kohärente und inkohärente Streuung 10.9.2 Streuquerschnitte 10.9.3 Streuung an Mikropartikeln; Mie-Streuung 10.10 Atmosphären-Optik 10.10.1 Lichtstreuung in unserer Atmosphäre 10.10.2 10.10.3 Aureole um den Mond 10.10.4 Glorien Zusammenfassung Übungsaufgaben 331 332 332 334 334 334 335 337 337 339 339 340 340 342 343 343 344 345 Optische Instrumente Das Auge Aufbau des Auges Kurz- und Weitsichtigkeit Räumliche Auflösung und Empfindlichkeit des Auges Vergrößernde optische Instrumente 11.2.1 Lupe Das Mikroskop Das Fernrohr Die Rolle der Beugung bei optischen Instrumenten Auflösungsvermögen des Fernrohrs Auflösungsvermögen des Auges Auflösungsvermögen des Mikroskops Abbe'sche Theorie der Abbildung Überwindung der klassischen Beugungsgrenze Die Lichtstärke optischer Instrumente Spektrographen und Monochromatoren 347 348 348 349 350 351 352 353 354 356 356 358 358 359 360 Das spektrale Auflösungsvermögen von Spektrographen Ein allgemeiner Ausdruck für das spektrale Auflösungsvermögen Zusammenfassung Übungsaufgaben 12 Neue 12.1 12.2 12.3 Techniken in der Optik Konfokale Mikroskopie Optische Nahfeldmikroskopie Aktive und adaptive Optik 12.3.1 Aktive Optik 12.3.2 Adaptive Optik 12.3.3 Interferometrie in der Astronomie 12.4 Holographie 12.4.1 Aufnahme eines Hologramms 12.4.2 Die Rekonstruktion des Wellenfeldes 362 363 364 364 367 369 370 371 372 373 374 374 375 376 377 378 380 XV XVI I Inhaltsverzeichnis 13 12.4.3 Weißlichtholographie 12.4.4 Holographische Interferometrie 12.4.5 Anwendungen der Holographie 12.5 Fourieroptik* 12.5.1 Die Linse als Fouriertransformator 12.5.2 Optische Filterung 12.5.3 Optische Mustererkennung 12.6 Mikrooptik* 12.6.1 Diffraktive Optik 12.6.2 und Linsenarrays 12.6.3 Herstellung diffraktiver Optik 12.6.4 Refraktive Mikrooptik 12.7 Optische Wellenleiter und integrierte Optik* 12.7.1 Lichtausbreitung in optischen Wellenleitern 12.7.2 Lichtmodulation 12.7.3 Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern 12.7.4 Integrierte optische Elemente 12.8 Optische Lichtleitfasern 12.8.1 Lichtausbreitung in optischen Lichtleiterfasern 12.8.2 Absorption in optischen Fasern 12.8.3 Pulsausbreitung in Fasern 12.8.4 Nichtlineare Pulsausbreitung; Solitonen 12.9 Optische Nachrichtenübertragung Zusammenfassung Übungsaufgaben 381 381 383 384 384 386 388 388 389 390 392 392 392 393 395 395 396 396 397 398 399 401 401 402 403 Lösungen der Übungsaufgaben 405 Farbtafeln 459 Literaturverzeichnis 467 Sachverzeichnis 473
