Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik

445 Pages·1995·7.93 MB·German

by  Professor Dr. Wolfgang Demtröder (auth.)

Werte der physikalischen Fundamentalkonstanten nach der Empfehlung von 1986*
GI dill' S\'lllhol Wl'r! Einheil Relali\ l' l 'n'll'hl'rllL'll
• 111 I () (,
Lichtgeschwindigkeit c 299792458 m s-I exakt
Gravitation konstante G 6,672591 . 10-11 m3 kg- I s-2 128
Planck-Konstante h 6.6260755 . 10-34 J s 0,60
n
Reduzierte Planck-Kon tante h/27r 1,0545726 .... 10-34 J 0,60
Gaskonstante R 8.314510 J mol-I K-1 8,4
Avogadro-Konstante NA 6,0221 367 . 1023 mol-I 0,59
Boltzmann-Konstante R/ NA k 1,380658 . 10-23 J K-1 8.5
Faraday-Konstante (NAe) F 96485,309 C mol-I 0,30
Stefan-Boltzmann-Konstante Cl 5,6705 . 10-8 Wm-2 K-4 34
(7r2/60)k4/(n3c2)
Molvolumen 22,41410. 10-3 8,4
(T = 273,15 K, P = 101325 Pa)
Elementarladung e 1,60217733. 10- 19 As D,g. C 0,30
Elektronenmasse fIIC 9, I 093897 . 10-31 kg 0,59
Protonen masse 1,6726231 . 10-27 kg 0,59
eutronenmasse 1,6749286 . 10-27 kg 0,59
Klassischer Elektronenradius 2,81794. 10-15 0,13
Magnetisches Moment de Elektrons J.l.c 9,28477 . lQ-24 0,34
BohIsche Magneton eil/2mc J.l.a 9,274015 . 10-24 0,34
Magnetisches Moment de Protons J.l.p 1,4106076 . 10-26 0,34
Massenverhältni mp/me 1836,15270 I 0,02
Ladungs-Mas en-Verhältni -e/me -1,7588196 · 10" 0,30
Permeabilitätskon tante J.l.o 47r' 10-7 = exakt
1,25663706 .... 10-6
Dielektrizitätskonstante 1/{f.I.oc2) 8.854187817 .... 10-12 exakt
Feinstrukturkonstante J.l.oce2/2h 7,29735308 . 10-3 0.045
Rydberg-Konstante mcca2/211 Ry 1,0973731534.107 0.0012
Bohr-Radius a/(47rRy ) e ao 5,2917725 . 10-11 0,045
hfll
Atomare Masseneinheit 2C) AME 1,6605402 . 10-27 kg 0,59
* Nach E. R. Cohen und B. N. Taylor: The 1986 CODAT A Recommended Values ofthe Fundamental Physical Constants, J. Phys. Chem. Ref.
Data, 17, 1795-1803 (1988)
Astronomische Konstanten
Masse der Erde ME = 5,976· 1024 kg Erdradius am Äquator R = 6,378 . 106 m
Masse des Mondes. MM = 7,35.1022 kg Entfernung Erde - Mond:
0,0123 ME Minimum (Perihel): 3,564 .108 m
Masse der Sonne MG) = 1,989.1030 kg Maximum (Aphel): 4,067· 108 m
= 3,33· 105 ME Entfernung Erde - Sonne: 1,496 . 1011 m
Radius der Sonne: 6,96 . 108 m o,g. I AE
Standard-Erdbeschleunigung g = 9,80665 m/s2
Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Experimentalphysik
Band
1
Mechanik und Wärme ISBN 3-540-56543-4
Band
2
Elektrizität und Optik ISBN 3-540-57095-0
In Vorbereitung:
Band3
Atome, Moleküle und Festkörper ISBN 3-540-57096-9
Band 4
Kern-, Teilchen-und Astrophysik ISBN 3-540-57097-7
Wolfgang Demträder
xperimen a physik 2
Elektrizität und Optik
Mit 608, meist zweifarbigen Abbildungen,
11 Farbtafeln, 17 Tabellen,
zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 132 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen
Springer
Professor Dr. W olfgang Demtroder
Universităt Kaiserslautern
Fachbereich Physik
D-67653 Kaiserslautern
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Demtriider, Wolfgang: Experimentalphysik / Wolfgang Demtriider.
(Springer-Lehrbuch)
2. Elektrizităt und Optik: mit 17 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen, '32 Dbungsaufgaben mit
ausfiihrlichen Liisungen. -'995
ISBN 978-3-540-57095-0 ISBN 978-3-662-07153-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07153-3
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Satz: Datenkonvertierung und Umbruch durch Mitterweger, Plankstadt -iiber das Satzsystem 3B2
SPIN 10061375 56/3144 - 5 4 3 2 1 O - Gedruckt auf săurefreiem Papier
Vorwort
Der hiennit vorgelegte zweite Band des vierbändigen Lehrbuchs der Experi
mentalphysik, der die Elektrizitätslehre und die Optik behandelt, möchte für die
Studenten des zweiten Semesters eine Brücke bauen zwischen den in der Schule
bereits erworbenen Kenntnissen auf diesen Gebieten und dem in späteren fortge
schrittenen Physikvorlesungen erwarteten höheren Niveau der Darstellung.
Wie im ersten Band steht auch hier das Experiment als Prüfstein jedes
theoretischen Modells der Wirklichkeit im Mittelpunkt. Ausgehend von experi
mentellen Ergebnissen soll deutlich gemacht werden, wie diese erklärt werden
können und zu einem in sich konsistenten Modell führen, das viele Einzel
beobachtungen in einen größeren Zusammenhang bringt und damit zu einer
physikalischen Theorie wird. Die mathematische Beschreibung wird, so weit
wie möglich, nachvollziehbar dargestellt. In Fällen, wo dies aus Platzgründen
nicht realisierbar war oder den Rahmen der Darstellung sprengen würde, wird
auf entsprechende Literatur verwiesen, wo der interessierte Student nähere
experimentelle Details oder eine genauere mathematische Herleitung finden
kann.
Das Buch beginnt, wie allgemein üblich, mit der Elektrostatik, behandelt dann
den stationären elektrischen Strom und die von ihm erzeugten Magnetfelder. Dabei
werden sowohl die verschiedenen Leitungsmechanismen in fester, flüssiger und
gasfönniger Materie diskutiert als auch die Wirkungen des elektrischen Stromes
und die darauf basierenden Meßmethoden. Aufbauend auf den in Band 1 erläuter
ten Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie wird gezeigt, wie in einer rela
tivistischen, d.h. Lorentz-invarianten Darstellung elektrisches und magnetisches
Feld miteinander verknüpft sind.
Zeitlich veränderliche elektrische Felder u~ Ströme und die daraus resultie
renden Induktionserscheinungen bilden den Inhalt des vierten Kapitels, in dem
auch die Zusammenfassung all dieser Phänomene durch die Maxwellgleichungen
diskutiert wird.
Um die Bedeutung der bisher gewonnenen Kenntnisse für technische Anwen
dungen zu unterstreichen, befaßt sich Kap. 5 mit elektrischen Generatoren und
Motoren, mit Transfonnatoren und Gleichrichtung von Wechselstrom und Dreh
strom, mit Wechsel stromkreisen, elektrischen Filtern und Elektronenröhren.
Von besonderer Bedeutung für technische Anwendungen, aber auch für ein
grundlegendes Verständnis schnell veränderlicher elektromagnetischer Felder
und Wellen sind elektromagnetische Schwingkreise, die in Kap. 6 behandelt
werden. Am Beispiel der Abstrahlung des Hertzschen Dipols wird die Entstehung
elektromagnetischer Wellen ausführlich dargestellt, deren Ausbreitung im fFeien
Raum und in begrenzten Raumgebieten (Wellenleiter und Resonatoren) den Inhalt
VI Vorwort
von Kap. 7. bildet. Experimentelle Methoden zur Messung der Lichtgeschwindig
keit schließen das Kapitel ab.
Kapitel 8, das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie behan
delt, bildet den Übergang zur Optik, weil viele der hier diskutierten Phänomene
besonders für Lichtwellen von besonderer Bedeutung sind, obwohl sie im gesamten
Frequenzbereich auftreten.
Da die Optik eine zunehmende Bedeutung für wissenschaftliche und tech
nische Anwendungen erlangt, wird sie hier ausführlicher als in vielen anderen
Lehrbüchern behandelt. Nach Meinung des Autors stehen wir vor einer "optischen
Revolution", die wahrscheinlich eine ähnliche Bedeutung haben wird wie in den
letzten Jahrzehnten die elektronische Revolution.
Für die praktische Optik hat sich für viele Anwendungen die Näherung der
geometrischen Optik bewährt, die im Kap. 9 als "Lichtstrahlen-Abbildung" erklärt
wird, wobei auch das Verfahren der Matrizenoptik kurz erläutert wird.
Interferenz und Beugung werden immer als wichtige Bestätigungen für das
Wellenmodell des Lichtes angesehen. In Kap. 10 werden die Grundlagen dieser
Erscheinungen erläutert, der Begriff der Kohärenz erklärt und experimentelle An
ordnungen, nämlich die verschiedenen Typen von Interferometern vorgestellt, die
auf der Interferenz von verschiedenen kohärenten Teilstrahlen basieren. Um ein
etwas genaueres Verständnis der Beugungserscheinungen zu erreichen, wird nicht
nur die Beugung von parallelen Lichtbündeln (Fraunhofer-Beugung) sondern auch
die in der Praxis viel häufiger auftretende Fresnel-Beugung behandelt.
Kapitel 11 ist der Darstellung optischer Geräte und moderner optischer Ver
fahren, wie der Holographie und der adaptiven Optik gewidmet.
Im letzten Kapitel wird dann die thermische Strahlung heißer Körper behandelt
und insbesondere der Begriff des schwarzen Strahlers erläutert und das Plancksche
Strahlungs gesetz diskutiert, das zum Begriff des Photons führte, also den Teilchen
charakter des Lichtes wieder deutlich macht, aber vor allem zu einer konsistenten
Symbiose von Wellen- und Teilchenmodell führt. Dieser Aspekt der nicht wider
sprüchlichen, sondern komplementären Darstellung von Wellen- und Teilchenbild
wird dann im dritten Band auf die Beschreibung von Materieteilchen ausgedehnt
und bildet die physikalische Grundlage für die Quantentheorie.
Die Darstellung der verschiedenen Gebiete in diesem Buch wird durch viele
Beispiele illustriert. Am Ende jedes Kapitels gibt es eine Reihe von Übungsauf
gaben, die dem Leser die Möglichkeit geben, seine Kenntnisse selber zu testen.
Er kann dann seine Lösungen mit den im Anhang angegebenen Lösungen ver
gleichen.
Vielen Leuten, ohne deren Hilfe das Buch nicht entstanden wäre, schulde ich
Dank. Hier ist zuerst Herr G. Imsieke zu nennen, der durch sorgfältiges Korrek
turlesen, Hinweise auf Fehler und viele Verbesserungsvorschläge sehr zur Optimie
rung der Darstellung beigetragen hat und Herr T. Schmidt, der die Texterfassung
übernommen hat. Ich danke Frau A. Kübler, Frau B. S. Hellbarth-Busch und Herrn
Dr. H. J. Kölsch vom Springer-Verlag für die gute Zusammenarbeit und für ihre
kompetente und geduldige Unterstützung des Autors, der oft die vorgegebenen
Termine nicht einhalten konnte. Frau I. Woll scheid, die einen Teil der Zeichnungen
angefertigt hat sowie Frau S. Heider, die das Manuskript geschrieben hat, sei an
dieser Stelle sehr herzlich gedankt. Auch meinen Mitarbeitern, Herrn Eckel und
Herrn Krämer, die bei den Computerausdrucken der Abbildungen behilflich waren,
gebührt mein Dank.
Vorwort VII
Besonderen Dank hat meine liebe Frau verdient, die mit großem Verständnis
die Einschränkungen der für die Familie zur Verfügung stehenden Zeit hingenom
men hat und die mir durch ihre Unterstützung die Zeit zum Schreiben ermöglicht
hat.
Kein Lehrbuch ist vollkommen. Der Autor freut sich über jeden kritischen
Kommentar, über Hinweise auf mögliche Fehler und über Verbesserungsvorschlä
ge. Nachdem der erste Band eine überwiegend positive Aufnahme gefunden hat,
hoffe ich, daß auch der vorliegende zweite Band dazu beitragen kann, die Freude an
der Physik zu wecken und zu vertiefen und die fortwährenden Bemühungen aller
Kollegen um eine Optimierung der Lehre zu unterstützen.
Kaiserslautern,
im März 1995 Wolfgang Demträder
Inhaltsverzeichnis
1. Elektrostatik
1.1 Elektrische Ladungen; Coulomb-Gesetz .................. 1
1.2 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
1.2.1 Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
1.2.2 Elektrischer Kraftfluß;
Ladungen als Quellen des elektrischen Feldes ........ 7
1.3 Elektrostatisches Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8
1.3.1 Potential und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9
1.3.2 Potentialgleichung .......................... 10
1.3.3 Äquipotentialflächen......................... 10
1.3.4 Spezielle Ladungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.4 Multipole...................................... 13
1.4.1 Der elektrische Dipol ........................ 14
1.4.2 Der elektrische Quadrupol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.4.3 Multipol-Entwicklung........................ 16
1.5 Leiter im elektrischen Feld .......................... 17
1.5.1 Influenz.................................. 18
1.5.2 Kondensatoren............................. 19
1.6 Die Energie des elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
1.7 Dielektrika im elektrischen Feld ...................... 23
1. 7.1 Dielektrische Polarisation ..................... 23
1.7.2 Polarisationsladungen ........................ 24
1.7.3 Die Gleichungen des elektrostatischen Feldes
in Materie .., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
1.7.4 Die elektrische Feldenergie im Dielektrikum ........ 28
1.8 Die atomaren Grundlagen von Ladungen
und elektrischen Momenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
1.8.1 Der Millikan-Versuch ........................ 30
1.8.2 Ablenkung von Elektronen und Ionen
in elektrischen Feldern ....................... 31
1.8.3 Molekulare Dipolmomente .................... 31
1.9 Elektrostatik in Natur und Technik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
1.9.1 Reibungselektrizität und Kontaktpotential .......... 34
1.9.2 Das elektrische Feld der Erde
und ihrer Atmosphäre .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
1.9.3 Die Entstehung von Gewittern . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
1.9.4 Elektrostatische Staubfilter .................... 36