Geschichte + Formeln

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/yhy/z, hx/zhz/x, hy/xhx/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