Dieses Buch zur Experimentalphysik ist der dritte Band der lange erwarteten Ausarbeitung der überaus beliebten Vorlesungen von Joachim Heintze. Dieser Band beschäftigt sich mit den Grundlagen zur Elektrizität und Magnetismus, wie sie an der Universität in den Experimentalphysikkursen im Bachelor-Studiengang gelehrt werden. Die Liebe des Autors für die Physik und für spannende und historische Experimente ist in das Buch eingegangen und in allen Kapiteln unvermindert zu spüren.
Hier finden Sie alle für das Bachelor- und das Nebenfachstudium der Physik relevanten Themen in anschaulicher und besonders gut verständlicher Form mit vielen Abbildungen präsentiert. Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen erleichtern die Prüfungsvorbereitung. Ob Physik Ihr Hauptfach sein mag oder ein Begleitfach - in jedem Fall werden Sie von den klaren Erläuterungen und den eingängigen Darstellungen profitieren und vieles mitnehmen, das Sie auf Ihrem weiteren Weg begleiten wird.
Author(s): Joachim Heintze, Peter Bock (eds.)
Publisher: Springer Spektrum
Year: 2016
Language: German
Pages: 373
Teil I Elektrizität und Magnetismus
1 Elektrische Kräfte und elektrische Felder .......................... 3
1.1 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Die Coulombkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Die Grundgleichungen der Elektrostatik im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Elektrische Felder im Vakuum bei vorgegebener Ladungsverteilung . . . . . . . 21
2.1 Feldberechnung mit dem Coulombschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Feldberechnung mit dem Gaußschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Elektrische Dipole, Quadrupole und Multipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Leiter im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Das elektrische Feld geladener Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Leiter im äußeren elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Isolatoren im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 Makroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Mikroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Spezielle Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Die elektrische Verschiebung D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Energie und Kräfte im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1 Elektrische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 Kräfte im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Beschleunigung und Fokussierung von geladenen Teilchen . . . . . . . . . . . 69
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Der elektrische Strom: Die Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1 Das Ohmsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2 Joulesche Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Die Kirchhoffschen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4 Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1 Elektrolytische Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.2 Elektrolyse und elektrolytische Abscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.3 Elektrolytische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.4 Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
XIV Inhaltsverzeichnis
8 Elektrizitätsleitung im Vakuum und in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.1 Elektrizitätsleitung im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2 Elektrizitätsleitung in Gasen: die Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 Unselbständige Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.4 Selbständige Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.5 Atmosphärische Elektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.1 Das freie Elektronengas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.2 Die Elektrische Leitfähigkeit der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.3 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.4 Ablösung von Elektronen aus Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.5 Zwei Metalle im Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10 Halbleiter und Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.1 Energiebänder in Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.2 Eigen- und Fremdleitung in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.3 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.4 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11 Magnetische Kräfte und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.1 Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.2 Das Magnetfeld B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.3 Das Magnetfeld von Strömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.4 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
11.5 Eigenschaften des statischen Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
12 Lorentz-Transformation der Feldgrößen und das elektromagnetische Feld . . . 199
12.1 Invarianz der elektrischen Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2 Lorentz-Transformation der Feldgrößen E und B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.3 Das elektromagnetische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
13 Berechnung und Anwendung stationärer Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.1 Das Biot–Savartsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13.2 Stromschleife und magnetischer Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
13.3 Das Vektorpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
13.4 Magnetfelder in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
14 Materie im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
14.1 Phänomenologie und makroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.2 Gegenüberstellung der Felder E und D, B und H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
14.3 Mikroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
14.4 Ferromagnetische Materialien in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
14.5 Supraleiter im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
15 Zeitlich veränderliche Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
15.1 Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
15.2 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
15.3 Anwendungen des Induktionsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
15.4 Die Maxwellschen Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
15.5 Magnetohydrodynamik und das Magnetfeld der Erde . . . . . . . . . . . . . . . 274
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Inhaltsverzeichnis XV
16 Schaltvorgänge und elektromagnetische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
16.1 Schaltvorgänge im induktiven Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
16.2 Schaltvorgänge im kapazitiven Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
16.3 Elektrische und magnetische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
16.4 Magnetische Feldenergie in der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
17 Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
17.1 Stromkreise mit Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
17.2 Elektrische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
17.3 Wechselstrom sehr hoher Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
18 Wechselstromtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
18.1 Technischer Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
18.2 Erzeugung von Wechselstrom: Die Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . 320
18.3 Wechselstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
18.4 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
18.5 Gleichrichter, Wechselrichter und Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Teil II Anhang
19 Lösungen der Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Zahlenwerte einiger Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Abbildungsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Personen- und Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
