Physik II - Uni Mainz

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