Geschichte + Formeln
Werbung
KURZE GESCHICHTE von ELEKTRIZITÄT MAGNETISMUS und OPTIK VL 704 001 "PHYSIK 2" A. Denoth A: ELEKTRIZITÄT MAGNETISMUS vor 1600 "vorwissenschaftliche Zeit": Elektrische und magnetische Naturerscheinungen wie Blitz, Elmsfeuer, Wetterleuchten, Nordlichter, Bioluminezenz (Glühwürmchen) wurden schon ca 1000 v.Chr. beschrieben. Das Auftreten "seltsamer" Kräfte beim Reiben von Bernstein mit (Katzen-) Fellen wurde 580 v.Chr. von THALES von Milet beobachtet (Reibungselektrizität, besser: Kontaktelektrizität; ev. wurde Pyroelektrizität beobachtet); "seltsame", alles durchdringende Kräfte, die vom Magnetstein ausgingen, sind seit ca. 400 v.Chr. bekannt (Magnetsteine wurden auf der Insel 'Magnesia' gefunden). Das Erdmagnetfeld wurde von Chinesen seit ca 300 v.Chr. zur Richtungsbestimmung genutzt (Magnetkompaß). Tonkrüge mit einem hohlen Kupferzylinder und einem mit Pech isolierten zentralen Eisenstab wurden im Gebiet des heutigen Irak gefunden und auf ca 2500 v.Chr. datiert. Mit Essigsäure als Elektrolyt (oder Zitronensäure) ergibt ein solche "Element" eine elektrische Spannung von ca 0.5 Volt! Es war bekannt, daß "Elektrische" Tiere (Zitteraal und Zitterrochen) bei Berührung ein Gefühl der Erstarrung (torpor; Raja torpedo für Zitterrochen) hervorrufen. 1600 -- 1831 "Epoche der Elektrostatik und Magnetostatik": 1600: William GILBERT (Arzt und Naturforscher in England) Schrieb ein Buch "über den Magneten", er zeigte, daß positive und negative Magnetpole nicht getrennt werden können. Vermessung von Magnetfeldern mit Magnetnadeln. Versuche zur Reibungselektrizität (die Bezeichnung "elektrisch" nach dem griechischen Wort Glanz: Bezeichnung für Bernstein und auch für eine Silber-Gold-Legierung) geht auf ihn zurück. Er zeigte, daß sich das Erdmagnetfeld als das Feld einer magnetischen Kugel beschreiben läßt. 1660: Otto von GUERICKE (Bürgermeister von Magdeburg, Ingenieur) Versuche mit einer Schwefelkugel zur elektrischen "Abstoßung", Leitung, Influenz und entladenden Wirkung von Flammen (Vorstufe zu einer Elektrisiermaschine). 1733: Charles F. DU FAY (französicher Physiker; Mitglied der Academie des Sciences) er erkannte die Existenz von 2 Arten der Elektrizität und beobachtete, daß elektrisierte Körper unelektrische anziehen. 1745: Ewald J. von KLEIST (Domdekan) entdeckte beim Experimentieren mit der Elektrisiermaschine die (Kleist´sche oder Leydener) Flasche 1758 Carl WILCKE entdeckt die elektrische Polarisation 1767 Joseph PRIESTLEY (Prediger, Bibliothekar, Naturforscher) Bücher: Geschichte der Elektrizität, Geschichte der Optik entdeckte Sauerstoff, Ammoniak, H2S, HCl, CO,..... Aus dem Fehlen einer Kraftwirkung im Inneren von Leitern (Kugel) schloß er auf ein 1/r2-Gesetz für elektrostatische Kräfte. 1785 Charles A. COULOMB (Ing.-Offizier und Physiker) Wies mit einer Drehwaage die Proportionalität elektrischer und magnetischer Kräfte zu 1/r2 nach. Stellt elektrostatisches und magnetostatisches Grundgesetz (Coulomb'sche Gesetze) auf. 1780 Luigi GALVANI (ital. Anatom) entdeckte bei Versuchen mit der Elektrisiermaschine beim Funkenüberschlag ein Zucken bei Froschschenkeln (später als Induktion erkannt), weitere Untersuchungen zeigten dann 1786, daß ein Funkenüberschlag gar nicht notwendig war: "galvanische Elemente" als Ursache der (tierischen) Elektrizität. 1792 Alessandro (Graf) VOLTA (italienischer Physiker; Prof. in Como und Pavia) Erkannte, daß "galvanische" Elemente bei Berührung von 2 Leitern 1. Klasse (Metalle) mit einem Leiter 2. Klasse (Elektrolyte) - oder auch umgekehrt - hergestellt werden können: Führte dazu eine Potentialreihe (Kontaktpotentiale). Baute Batterien für höhere Spannungen (Volta´sche Säule) als Alternative zur Elektrisiermaschine; entwickelte den Kondensator zum Nachweis kleiner Ladungen (1782) und baute das 1. Elektroskop. Jetzt hatte man eine Quelle, um dauernd fließende elektr. Ströme zu erzeugen und es wurde bald die "Wasserzersetzung" entdeckt: bereits um 1807 wurden auf diesem elektrolytischen Weg K, Na, Ba, Sr, Ca gewonnen. Es entstand die Vorstellung, daß die "chemische Affinität" auf elektrische Kräfte zwischen Molekülen zurückzuführen sei (heute: heteropolare Bindung). Durch die magnetischen Wirkungen des Stromes wurde bald eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus vermutet. 1820 Hans Chr. OERSTED (Mediziner und Physiker) Wir- Entdeckte die magnetische Wirkung des Stromes (Ablenkung einer Magnetnadel) und die Abhängigkeit der Richtung von der Stromrichtung. Entdeckte die magnetische kung eines Drahtes auf einen zweiten Draht. 1820 Dominique F. J. ARAGO (franz. [Kriegs-]Minister, Astronom, Physiker) Entdeckung, daß manche Stoffe durch Strom magnetisierbar sind; 1824 Entdeckung der Wirkung eines Magnetfeldes auf den Polarisationszustand des Lichtes (später als Faraday-Effekt - Magnetorotation - bezeichnet). 1821 Thomas J. SEEBECK (Physiker) Entdeckung des thermo-elektrischen (Seebeck-) Effektes; Entdeckung der zirkularen Doppelbrechung einer Zuckerlösung. 1820/21 Andre´ M. AMPERE (Physiklehrer in Lyon und Bourg; später Generalinspektor der franz. Universitäten). Präzisierte die Begriffe 'Spannung' und 'Stromstärke' und begründete eine Theorie der elektrodynamischen Wechselwirkung stromdurchflossener Leiter. Er gab auch eine Erklärung für den Magnetismus durch sog. (Amper' sche) Molekularströme. 1822 (gemeinsam mit Jaques Babinet) Konzept eines elektromagnetischen Telegraphen. 1821 Jean B. BIOT (Prof. für mathem. Physik in Paris; Mathematiker, Physiker, Astronom, Chemiker, Wissenschaftshistoriker.........) Hauparbeit auf dem Gebiet der Optik; Gemeinsam mit Felix SAVART (Mediziner und Physiker; Prof. f. Physik in Paris) untersuchte er die Abstandsabhängigkeit der magnetischen Kraft eines stromdurchflossenen Leiters ( 1/r). 1826 Georg S. OHM (Lehrer f. Physik u. Mathematik in Köln; später Prof. f. Physik Univ. München) Brachte mit seinem Gesetz (U = I.R) "Ordnung" in eine verwirrende Vielfalt elektrischer Erscheinungen und schuf somit eine Grundlage für die enorme Weiterentwicklung der Elektrizitätslehre. Weitere Arbeiten in der Akustik (Fourier-Analyse zur Charakterisierung der Klangfarbe; Ohm'sches Gesetz der Akustik....) 1831/32 Michael FARADAY (Laborgehilfe in der Royal Society, London; 1825 Direktor der Royal Institution) Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, prägte den Begriff des elektrischen und magnetischen (Kraft-)Feldes. Versuchte einen inneren Zusammenhang aller Natur- kräfte zu finden (bei Elektrizität und Magnetismus ist es ihm gelungen: Faraday Effekt, Magnetorotation des Lichtes). Führte elektrochemische Untersuchungen durch (Faraday Gesetze); verflüssigte Chlor, fand das Benzol und das Butylen, und entwickelte eine rostfreie Stahlsorte. nach 1831: Vereinigung der elektrischen und magnetischen Phänomene: Klassische Elektrodynamik 1856 Friedrich W. G. KOHLRAUSCH (Prof. Physik in Göttingen, Zürich......) Führte gemeinsam mit Wilhelm WEBER Präzisionsbestimmungen der elektromagnetischen Grundgrößen durch (speziell: o, µo; c2=1/oµo). Arbeiten über das Leitvermögen der Elektrolyte. 1861/64 James Clerk MAXWELL (Prof. f. Physik in Aberdeen, später in Cambridge) Gab den elektromagnetischen Erscheinungen eine begriffliche Ordnung und eine theoretische Formulierung: Maxwell-Gleichungen. Erkannte (nach den Arbeiten von WEBER und KOHLRAUSCH), daß diese (seine) Gleichungen auch die Theorie des Lichtes sind (damit war Elektrodynamik und Optik vereinigt). Sagte die Möglichkeit elektromagnetischer Wellen voraus. Weitere Arbeiten: Physiologie des Farbsehens, Kinetische Gastheorie, Begründer der Statistischen Physik. 1886 Heinrich HERTZ (Prof. f. Physik in Karlsruhe, später in Bonn) wies die Existenz elektromagnetischer Wellen nach (13.11.1886), zeigte ihre Reflexion, Brechung, Polarisation und Transversalität. Weitere Arbeiten über: Glimmentladungen, Kathodenstrahlen, Elastizität, entdeckte den Licht-elektrischen Effekt (Photoeffekt; von Hallwachs genauer untersucht). Geschichte der technischen Anwendungen (bis 1900): 1809 Elektrochemischer Telegraph (Samuel Sömmering, Arzt in Frankfurt) 1820 Magnetoelektrischer Telegraph (A. Ampere) 1833 Elektromagnetischer Telegraph und "Erdinduktor" zur Ausmessung der Inklination(C.F.Gauss und W. Weber) 1860 Telephon (P. Reis, Lehrer d. Naturwissenschaftren in Friedrichsdorf ) 1876/77 Telephon für Sprachübertragung (G. Bell, Prof. f. Physiologie U. Boston) 1895 Drahtlose Telegraphie (G. Marconi, 1909 Nobelpreis f. Physik) 1901: 1. Transatlantikverbindung. 1867 Elektromotor mit Elektromagnet (Dynamoprinzip von W. Siemens) B: OPTIK 1900 Verwendung von Spiegeln (Cu-Zn Legierung) 424 Verwendung von Brenngläsern (Linsen) 100 Grundlagen der Geometr. Optik (Reflexion: Licht folgt kürzestem Weg; Hero von Alexandrien) +130 Grundlagen der Brechung; Formulierung eines Brechungsgesetzes [ß = a. b. ²; a,b sind Materialparameter: Ptolomäus von Alexandrien] +1000 Licht hat endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit [Alhazen; schrieb 7 Bücher über Optik] +1500 Lochkamera als opt. Instrument (Leonardo da Vinci; nach einer Idee von Alhazen 1564-1642 Galileo GALILEI, 1. Teleskope [Entdeckung von 4 Jupiter-Monden; Saturnring, Sonnenrotation] 1588-1632 Zacharias JANSEN, 1. Mikroskop 1571-1630 Johannes KEPLER. Verbesserungen am Fernrohr, Entdeckung der Totalreflexion; Beschreibung Systeme dünner Linsen. 1591-1626 Willebrord SNELLIUS. Fand ‘richtiges’ Brechungsgesetz [aber erst von Huygens 70 (!) Jahre später veröffentlicht] Optische Instrument waren jetzt berechenbar! 1637 Rene du Perron DESCARTES. Theorie des Regenbogens, Licht ist Korpuskel 1657 Pierre de FERMAT: Fermat-Prinzip [Minimal-Prinzip: kürzeste Laufzeit] 1704 Sir Isaac NEWTON. Licht zeigt Interferenz 1675 Dane Olaf ROMER. Messung der Lichtgeschwindigkeit [aus Ephemeride des Jupitermondes IO (v 2.3 108 m/s)] 1690 Christian HUYGENS. Licht ist eine Welle (konnte mit dieser Vorstellung Doppelbrechung beschreiben); Entdeckung der Polarisation 1807 Thomas YOUNG. Begründer der physiolog. Optik und Farbenlehre Experimente zur Interferenz 1788-1827 Jean Augustin FRESNEL. Quantitative Beschreibung der Interferenz und Beugung 1787-1826 Joseph FRAUNHOFER. Begründer der Spektroskopie, Herstellung von Beugungsgittern [Sonnen / Planetenspektren; Entdecker des Na-Dubletts] 1845 Michael FARADAY. Entdecker der Magneto-Rotation [Wechselwirkung Licht Magnetfeld] 1861/62 James Clerk MAXWELL. Theorie des Elektromagnetismus: Wenn es elektromagnetische Wellen gibt, dann ist Licht eine solche Welle 1887 W. HALLWACHS / H. HERTZ. Untersuchung der Wirkung von UV-Licht auf Funkenstrecken [Photoeffekt, Hallwachs-Effekt]; Licht hat Korpuskelcharakter 1905 A. EINSTEIN. Korpuskulartheorie des Lichtes; Licht als Energie-Partikel (Photon); Begründer der Quantenoptik 1950 Licht in der Nachrichtentechnik (elektro-optische Modulatoren), Optische Displays (LCD) 1960 Lichtverstärker / Licht-Oszillatoren (LASER), Holographie 1988 Umkehreffekt zur Lichtstreuung: Streuung von (materiellen) Teilchen am Lichtfeld Physik 2, SS99, A. Denoth VEKTORANALYSIS Zusammenfassung wichtiger und öfter benötigter Beziehungen/Definitionen Vektor-Operator = [/x, /y, /z] Anwendung auf ein Skalarfeld: (z.B.: Temperaturfeld) .T grad T : gibt die Richtung der größten Änderung Anwendung auf ein Vektorfeld h: .h div h =hx/x + hy/y + hz/z Divergenz eines Feldes x h rot h = [hz/yhy/z, hx/zhz/x, hy/xhx/y] Rotation eines Feldes 2. Ableitungen: Anwendung auf ein Skalarfeld: (.T) 2.T .T Skalares Feld x (.T) rot grad T 0 Anwendung auf ein Vektorfeld h: (.h) grad div h Vektorfeld ( x h) div rot h 0 2.h .h (: Laplace-Operator) Vektorfeld Physikalische Bedeutung von "grad", "div" und "rot" Skalarfeld T; beliebige Linie C zwischen 2 Punkten "1" und "2" T(2) T(1) = grad T . ds C Fluß eines Feldes durch eine Fläche A: = h.dA Fläche = div h.Dv Volumen (Satz von Gauß) Zirkulation eines Feldes längs einer Linie C: = h.ds = rot h.dA C (Satz von Stokes) Fläche -A Physik 2 SS99 Elektrisches Feld einer nicht-leitenden Ebene: E + E + _ + _ + _ + _ + + + A + + n a) n + nicht leitende geladene Ebene a) Gauss-Satz: b) Gauss-Satz: b) 2 nicht-leitende Ebenen Fluß des Feldes E.A + E.A = A. / o E = / (2.o). Fluß des Feldes "innen" E = 2.E(Einzelschichte) = / o . Fluß des Feldes "außen" E = 0 (da Gesamtladung = 0). Leitende Ebene: + + + Erestl. Ladungen E 1 + + 2 + E = 0 + + Elokal Aus Gauss-Fläche (1) folgt: Einnen = 0 Aus Gauss-Fläche (2) folgt: Eaußen = / o . E = 0 _ + + + E+ _ _ + _ + _ _ + + E_ E = 0 _ 2 leitende geladene Ebenen (Ladungen verteilen sich neu!) E(außen) = 0; Einnen = E+ + E = 2 / o
