Physik II - Uni Mainz
Werbung
H. Daniel Physik II Elektrodynamik — Relativistische Physik W G DE Walter de Gruyter Berlin • New York 1997 Inhalt 1 Elektrostatik 1.1 1.1.1 1.1.2 Elektrische Ladung Natur der elektrischen Ladung Millikan-Versuch 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 Coulombsches Gesetz und elektrisches Feld Coulombsches Gesetz Vakuumpolarisation Elektrisches Feld Elektrische Spannung und elektrisches Potential Elektrischer Dipol und elektrischer Quadrupol 7 7 8 9 14 18 1.3 1.3.1 1.3.2 Gaußscher Satz Veranschaulichung des Gaußschen Satzes Beweis des Gaußschen Satzes 26 26 26 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6 Kapazität Leiter und Nichtleiter Definition der Kapazität Plattenkondensator Kugel und Kugelschale, Zylinder und Zylindermantel Weitere Beispiele für Kapazitäten Parallel- und Serienschaltung von Kapazitäten 28 28 29 30 34 37 39 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 Leiter im elektrischen Feld Leiter Feldstärke in und auf Leitern Feldstärke auf Kugeloberfläche und Spitzen Wirkung Faradayscher Käfig Influenz . . . . : 40 40 41 43 47 52 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 Energie des elektrischen Feldes Allgemeine Rechnung mit Potential Allgemeine Rechnung mit Energiedichte Feldenergie eines Elektrons und klassischer Elektronenradius 57 57 58 59 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 Isolatoren im elektrischen Feld Isolatoren ohne permanentes elektrisches Dipolmoment Isolatoren mit permanentem elektrischen Dipolmoment Polarisation und Suszeptibilität 60 60 62 65 3 3 6 XII 1.7.4 1.7.5 Inhalt 1.7.6 1.7.7 1.7.8 Permittivität und dielektrische Verschiebung Elektrische Feldstärke und dielektrische Verschiebung an Grenzflächen und in dichten Medien Elektret und Piezoelektrizität Kraft auf Dipol Van-der-Waals-Kräfte 66 2 Elektrischer Strom und Magnetismus 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 Strom als Ladungstransport Allgemeines zum Strom Stationärer Strom und Kontinuitätsgleichung Ohmsches Gesetz Elektrolytische Leitung Metallische Leitung Leitung in Halbleitern Gasentladungen Elektrische Arbeit und Leistung 91 91 93 93 96 101 104 107 110 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Elektrochemie Elektrochemische Spannungen Elektrochemische Prozesse an den Elektroden Galvanische Elemente Akkumulatoren 111 111 114 116 118 213 2.3.1 2.3.2 Austrittsarbeit und resultierende Spannung Austrittsarbeit Thermospannung 120 120 121 2.4 2.4.1 2.4.2 Grundtatsachen des Magnetismus Quellenfreiheit Magnetfeld eines unendlich langen stromführenden Drahts 127 127 130 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 Magnetische Kräfte und Felder bei stromführenden Leitungen Kraft eines Magnetfeldes auf elektrischen Strom Lorentz-Kraft Ableitung des Ampereschen Gesetzes Solenoid und Toroid Biot-Savartsches Gesetz Magnetischer Dipol Hall-Effekt 132 132 138 140 141 143 144 146 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 Induktion Induktion durch räumliche Änderung Induktion durch zeitliche Änderung des Magnetfeldes Selbstinduktion Gegenseitige Induktion Energie des magnetischen Feldes 150 150 152 154 160 165 73 80 84 87 Inhalt XIII 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 Materie im Magnetfeld Magnetisches Moment und Magnetismus Paramagnetismus und Magnetisierung Diamagnetismus Zustandekommen von Ferromagnetismus Experimentelle und technische Tatsachen über Ferromagnetismus 166 166 170 174 174 178 2.8 2.8.1 2.8.2 Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus Ferrimagnetismus Antiferromagnetismus 186 186 187 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 Magnetfeld mit Materie Gesetze der Magnetostatik mit Materie Anwendung von Materie im Magnetfeld zur Flußverstärkung Anwendung von Materie im Magnetfeld zur Flußabschwächung 2.10 2.10.1 2.10.2 2.10.3 Supraleitung Phänomenologische Beschreibung der Supraleitung Supraleiter und Magnetfeld Anwendung der Supraleitung 199 199 200 204 2.11 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4 2.11.5 2.11.6 2.11.7 Analyse von Netzwerken Schaltsymbole und Netzwerke Erstes Kirchhoffsches Gesetz (Knotengesetz) Zweites Kirchhoffsches Gesetz (Schleifengesetz) Ersatzschaltbild Einfache Anwendungen der Kirchhoffschen Gesetze Ein- und Ausschaltvorgänge bei einer Kapazität Ausschalten einer Induktivität über einen Widerstand 208 208 210 211 212 213 216 218 2.12 2.12.1 2.12.2 2.12.3 2.12.4 2.12.5 2.12.6 2.12.7 2.12.8 Wechselstrom und elektrische Schwingungen Wechselstrom Wechselstromleistung Drehstrom Gleichrichtung Freie elektrische Schwingungen Erzwungene elektrische Schwingungen Komplexe Rechenmethode Modulation von Wechselspannungen und Wechselströmen 222 222 224 225 228 232 233 236 245 2.13 2.13.1 2.13.2 2.13.3 2.13.4 2.13.5 2.13.6 Verstärkung von Wechselspannungen und Wechselströmen Begriff der Verstärkung Transistoren als Verstärkerelemente Elektronenröhren als Verstärkerelemente Transistor- und Röhrendaten Verstärkerschaltungen Erregung elektrischer Schwingungen 247 247 248 254 257 258 260 , 189 . 189 190 197 XIV Inhalt 3 Maxwellsche Gleichungen und elektromagnetische Wellen 3.1 3.1.1 3.1.2 Verschiebungsstrom und Maxwellsche Gleichungen . .'. Verschiebungsstrom Maxwellsche Gleichungen 267 267 268 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Elektromagnetische Wellen Transversaler Charakter der Wellen im Vakuum Ebene Wellen im Vakuum Elektromagnetische Wellen in Materie Reflexion elektromagnetischer Wellen an Dielektika Elektromagnetische Wellen in Hohlleitern Eigenschwingungen von Hohlraumresonatoren und Doppelleitungen.... 270 270 271 276 280 283 286 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 Telegraphengleichung Allgemeine Form der Telegraphengleichung Ideales Kabel Unverzerrte Signalübertragung Wellen widerstand des idealen Kabels und des Vakuums Reflexionen an den Kabelenden 292 292 293 294 295 297 3.4 3.4.1 3.4.2 Dämpfung elektromagnetischer Wellen in Leitern Dämpfung in Fortpflanzungsrichtung Dämpfung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung 302 302 307 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Poynting-Vektor und Energie- und Impulsfluß Energieflußdichte und Poynting-Vektor Impulsflußdichte und Poynting-Vektor Strahlungsdruck , 310 310 312 314 3.6 3.6.1 3.6.2 Hertzscher Dipol und Bremsstrahlung Hertzscher Dipol Bremsstrahlung 317 317 323 3.7 3.7.1 3.7.2 Streuung elektromagnetischer Strahlung an Atomen 325 Streuquerschnitt allgemein 325 Streuprozeß und Querschnitt für Streuung elektromagnetischer Strahlung 328 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 Ableitung einfacher wichtiger Gesetze aus den Maxwellschen Gleichungen 331 Coulombsches Gesetz 331 Amperesches Gesetz 332 Faradaysches Induktionsgesetz 332 Erstes Kirchhoffsches Gesetz 333 Zweites Kirchhoffsches Gesetz 333 4 Relativistische Physik 4.1 4.1.1 Nichtrelativistische Erwartungen und Michelson-Versuch Galilei-Transformation 337 337 Inhalt XV 4.1.2 4.1.3 Ätherhypothese Michelson-Versuch 339 339 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 Unmittelbare Folgerungen aus dem Michelson-Versuch Zeitdilatation Lorentz-Kontraktion Relativistische Addition von Geschwindigkeiten Vierdimensionales Raum-Zeit-Kontinuum 342 342 346 348 349 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 Eigenzeit, Masse und Energie Eigenzeit und Masse Energie Beziehungen zwischen Masse, Energie und Impuls Lorentz-Transformationen in der Mechanik 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 Die Relativitätstheorien und ihre experimentelle Überprüfung Spezielle und allgemeine Relativitätstheorie Experimentelle Überprüfung der speziellen Relativitätstheorie Experimentelle Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie 4.5 4.5.1 4.5.2 Lorentz-Transformationen des elektromagnetischen Feldes und LorentzKraft 360 Lorentz-Transformationen des elektromagnetischen Feldes 360 Lorentz-Kraft aus Sicht der Lorentz-Transformationen 362 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.6.8 Relativistische Mechanik in elektromagnetischen Feldern Teilchenbewegung in statischen rein elektrischen Feldern Rein magnetische Felder Teilchenbahnen in transversalen azimutunabhängigen Magnetfeldern.. . . Anschauliche Deutung der axialen Fokussierung Linsen für Teilchen Quadrupollinsen Magnetische Spektrometer Kombinierte elektrische und magnetische Felder 363 363 364 365 369 369 372 375 377 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.2 4.7.5 4.7.6 4.7.7 Beschleuniger und Speicherringe Allgemeines Potentialbeschleuniger Zyklotrons Synchrotron Linearbeschleuniger Andere Beschleuniger Speicherringe 379 379 380 382 385 385 387 388 4.8 4.8.1 4.8.2 Relativistische Effekte bei elektromagnetischen Wellen Mitführung des Lichts Aberration der Sterne 390 390 390 350 350 . . ; . . . 352 . 353 355 357 357 358 358 XVI Inhalt Anhang A 1 ALI Anhang zu Kapitel 1 Isolationsmaterial für Kondensatoren 393 393 A A A A A Anhang zu Kapitel 2 Elektrischer Durchschlag Thermospannungen gebräuchlicher Thermoelemente Magnetische Flüssigkeit Elektrische Schaltsymbole 394 394 395 396 396 2 2.1 2.2 2.3 2.4 A3 Anhang zu Kapitel 3 A 3.1 Daten von Typen gebräuchlicher Kabel 402 402 A4 Anhang zu Kapitel 4 403 A 4.1 Steifigkeit (Bg-Wert) und kinetische Energie von Elektronen und schweren geladenen Teilchen 403 A 4.2 Matrixmethode 404 Quellennachweis für Abbildungen 405 Häufig benutzte Symbole 407 Häufig gebrauchte Formeln 409 Konstanten hauptsächlich der Elektrodynamik 412 Wichtige Symbole und Einheiten 414 Verzeichnis der Tabellen 416 Register -., 417
