Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik

492 Pages·2013·16.41 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
6.Auflage
ISBN978-3-642-25465-9
Band2
ElektrizitätundOptik
6.Auflage
ISBN978-3-642-29943-8
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
4.Auflage
ISBN978-3-642-03910-2
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
3.Auflage
ISBN978-3-642-01597-7
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 2
Elektrizität und Optik
6.,überarbeitete undaktualisierte Auflage
WolfgangDemtröder
TUKaiserslautern
FachbereichPhysik
Erwin-Schrödinger-Str.46
67663Kaiserslautern
Deutschland
e-mail:[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-29943-8 ISBN978-3-642-29944-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-29944-5
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Lektorat:VeraSpillner,StefanieAdam
Einbandentwurf:deblik,Berlin
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
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nessMedia.
www.springer-spektrum.de
Vorwort zur sechsten Auflage
IndendreiJahrenseitErscheinender5.AuflagehabensichdieOptikundihrevielfältigen
Anwendungen rasant weiterentwickelt. Die Herstellung von Masken mit immer kürzeren
WellenlängenfürdieMiniaturisierungintegrierterSchaltungenhatdieDichtevonelektroni-
schenBauteileninintegriertenSchaltungenumfasteineGrößenordnungerhöht.Dieneuen
hochauflösendenoptischenTechnikenhabendetaillierteInformationenüberdenAufbauund
die Funktionen biologischer Moleküle und des Inneren von Zellen gebracht. Die optische
Nachrichtentechnik hat von der Entwicklung ultrakurzer Lichtpulse und der Verbesserung
optischerLichtleiterundoptischerSchaltelementesehrprofitiertunddieenormeSteigerung
derDatenmenge,dieimInternetzurVerfügungsteht,wäreohnedieseoptischenTechniken
garnichtmöglich.
DeshalbisteingründlicheresStudiumderOptikfürvieleBerufszweigeunverzichtbar.
Indieser6.AuflagewurdennebendenklassischenGrundlagenderElektrodynamikundder
OptikeinigedieserneuerenEntwicklungenmitaufgenommen,umdielebendigeWeiterent-
wicklungderOptikzudemonstrieren.
VieleLeserhabendurchihreZuschriftenzurEliminierungvonFehlernundzurVerbesserung
derDarstellungbeigetragen.Ihnenmöchteichherzlichdanken.
BesonderenDankgiltHerrnDr. PeterStaub,derviele AnregungenzurOptimierung dieses
Lehrbuchesgegebenhat.
Ich danke den Mitarbeitern von Springer-Spektrum, insbesondere Frau Dr. Spillner für die
VerlagsbetreuungunddenMitarbeiternderle-texpublishingservicesGmbHLeipzig,insbe-
sondereFrauKroke,fürLayoutundSatzgestaltung.
AnvielenUniversitätensindinzwischenBachelor-undMaster-Studiengängemiteinerver-
kürzten Studiendauer eingerichtet worden. Um den Studenten solcher Studiengänge die
Lektüre dieses Lehrbuches zu erleichtern, sind alle Abschnitte, die nach Meinung des Au-
torsfürdasverkürzteStudiumweggelassenwerdenkönnen,imInhaltsverzeichnismiteinem
Sternmarkiert.
Kaiserslautern,
imAugust2012 WolfgangDemtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Der hiermit vorgelegte zweite Band des vierbändigen Lehrbuchs der Experimentalphysik,
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 fortgeschrittenen Physikvorlesungen erwarteten
höherenNiveauderDarstellung.
Wie im ersten Band steht auch hier das Experiment als Prüfstein jedes theoretischen
Modells der Wirklichkeit im Mittelpunkt. Ausgehend von experimentellen Ergebnis-
sen soll deutlich gemacht werden, wie diese erklärt werden können und zu einem in
sich konsistenten Modell führen, das viele Einzelbeobachtungen in einen größeren Zu-
sammenhang bringt und damit zu einer physikalischen Theorie wird. Die mathemati-
sche 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 Stu-
dent nähere experimentelle Details oder eine genauere mathematische Herleitung finden
kann.
Das Buch beginnt, wie allgemein üblich, mit der Elektrostatik, behandelt dann den statio-
närenelektrischenStromunddievonihmerzeugtenMagnetfelder.Dabeiwerdensowohldie
verschiedenenLeitungsmechanismeninfester,flüssigerundgasförmigerMateriediskutiert
als auch die Wirkungen des elektrischen Stromes und die darauf basierenden Messmetho-
den.AufbauendaufdeninBand1erläutertenGrundlagenderspeziellenRelativitätstheorie
wirdgezeigt,wieineinerrelativistischen,d.h.Lorentz-invariantenDarstellungelektrisches
undmagnetischesFeldmiteinanderverknüpftsind.
Zeitlich veränderlicheelektrischeFelderundStrömeunddiedarausresultierendenIndukti-
onserscheinungenbildendenInhaltdesviertenKapitels,indemauchdieZusammenfassung
alldieserPhänomenedurchdieMaxwell-Gleichungendiskutiertwird.
Um die Bedeutung der bisher gewonnenen Kenntnisse für technische Anwendungen zu
unterstreichen,befasstsichKap.5mitelektrischenGeneratorenundMotoren,mitTransfor-
matoren und Gleichrichtung von Wechselstrom und Drehstrom, mit Wechselstromkreisen,
elektrischenFilternundElektronenröhren.
Von besonderer Bedeutung für technische Anwendungen, aber auch für ein grundlegendes
Verständnis schnell veränderlicher elektromagnetischer Felder und Wellen sind elektroma-
gnetische Schwingkreise, die in Kap.6 behandelt werden. Am Beispiel der Abstrahlung
des Hertzschen Dipols wird die Entstehung elektromagnetischer Wellen ausführlich darge-
stellt, deren Ausbreitung im freien Raum und in begrenzten Raumgebieten (Wellenleiter
und Resonatoren)denInhalt von Kap.7 bildet. Experimentelle MethodenzurMessungder
LichtgeschwindigkeitschließendasKapitelab.
Kapitel8,dasdieAusbreitungelektromagnetischerWelleninMateriebehandelt,bildetden
ÜbergangzurOptik, weilviele derhierdiskutierten PhänomenebesondersfürLichtwellen
vonbesondererBedeutungsind,obwohlsieimgesamtenFrequenzbereichauftreten.
DadieOptikeinezunehmendeBedeutungfürwissenschaftlicheundtechnischeAnwendun-
gen erlangt, wird sie hier ausführlicher als in vielen anderen Lehrbüchern behandelt. Nach
VIII VorwortzurerstenAuflage
Meinung des Autors stehen wir vor einer „optischen Revolution“, die wahrscheinlich eine
ähnlicheBedeutunghabenwirdwieindenletztenJahrzehntendieelektronischeRevolution.
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
VerfahrenderMatrizenoptikkurzerläutertwird.
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 Anordnungen, nämlich die verschie-
denen Typen von Interferometern vorgestellt, die auf der Interferenz von verschiedenen
kohärenten Teilstrahlen basieren. Um ein etwas genaueres Verständnis der Beugungs-
erscheinungen zu erreichen, wird nicht nur die Beugung von parallelen Lichtbündeln
(Fraunhofer-Beugung) sondern auch die in der Praxis viel häufiger auftretende Fresnel-
Beugungbehandelt.
Kapitel 11 ist der Darstellung optischer Geräte und moderner optischer Verfahren, wie der
HolographieundderadaptivenOptikgewidmet.
Im letzten Kapitel wird dann die thermische Strahlung heißer Körperbehandeltund insbe-
sondere derBegriff desschwarzen Strahlerserläutert und dasPlanckscheStrahlungsgesetz
diskutiert,daszumBegriffdesPhotonsführte,alsodenTeilchencharakterdesLichteswieder
deutlichmacht,abervorallemzueinerkonsistentenSymbiosevonWellen-undTeilchenmo-
dellführt.DieserAspektdernichtwidersprüchlichen,sondernkomplementärenDarstellung
vonWellen-undTeilchenbildwirddannimdrittenBandaufdieBeschreibungvonMaterie-
teilchenausgedehntundbildetdiephysikalischeGrundlagefürdieQuantentheorie.
DieDarstellungderverschiedenenGebieteindiesemBuchwirddurchvieleBeispieleillus-
triert. Am Ende jedes Kapitels gibt es eine Reihe von Übungsaufgaben, die dem Leser die
Möglichkeitgeben,seineKenntnisseselberzutesten.ErkanndannseineLösungenmitden
imAnhangangegebenenLösungenvergleichen.
Vielen Leuten, ohne deren Hilfe das Buch nicht entstanden wäre, schulde ich Dank. Hier
ist zuerst Herr G. Imsieke zu nennen, der durch sorgfältiges Korrekturlesen, Hinweise auf
FehlerundvieleVerbesserungsvorschlägesehrzurOptimierungderDarstellungbeigetragen
hat und Herr T. Schmidt, der die Texterfassung übernommen hat. Ich danke Frau A. Küb-
ler,FrauB.S.Hellbarth-BuschundHerrnDr.H.J.KölschvomSpringer-Verlagfürdiegute
Zusammenarbeit und für ihre kompetente und geduldige Unterstützung des Autors, der oft
die vorgegebenen Termine nicht einhalten konnte. Frau I. Wollscheid, die einen Teil der
Zeichnungenangefertigt hat sowie Frau S. Heider, die das Manuskriptgeschrieben 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
meinDank.
BesonderenDankhatmeineliebeFrauverdient,diemitgroßemVerständnisdieEinschrän-
kungen der für die Familie zur Verfügung stehenden Zeit hingenommen hat und die mir
durchihreUnterstützungdieZeitzumSchreibenermöglichthat.
KeinLehrbuchistvollkommen.DerAutorfreutsichüberjedenkritischenKommentar,über
HinweiseaufmöglicheFehlerundüberVerbesserungsvorschläge.NachdemderersteBand
eine überwiegend positive Aufnahme gefunden hat, hoffe ich, dass auch der vorliegende
zweiteBanddazubeitragenkann,dieFreudeanderPhysikzuweckenundzuvertiefenund
diefortwährendenBemühungenallerKollegenumeineOptimierungderLehrezuunterstüt-
zen.
Kaiserslautern,
imMärz1995 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1 Elektrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 ElektrischeLadungen;Coulomb-Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 DaselektrischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 ElektrischeFeldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 ElektrischerFluss;
LadungenalsQuellendeselektrischenFeldes . . . . . . . . . . . . 8
1.3 ElektrostatischesPotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 PotentialundSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Potentialgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 Äquipotentialflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.4 SpezielleLadungsverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Multipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 DerelektrischeDipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2 DerelektrischeQuadrupol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3 Multipolentwicklung* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 LeiterimelektrischenFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 DieEnergiedeselektrischenFeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7 DielektrikaimelektrischenFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.1 DielektrischePolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.2 Polarisationsladungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.3 DieGleichungendeselektrostatischenFeldes
inMaterie* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.7.4 DieelektrischeFeldenergieimDielektrikum . . . . . . . . . . . . 28
1.8 DieatomarenGrundlagenvonLadungenundelektrischenMomenten . . 30
1.8.1 DerMillikan-Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.8.2 AblenkungvonElektronenundIonen
inelektrischenFeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8.3 MolekulareDipolmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.9 ElektrostatikinNaturundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.9.1 ReibungselektrizitätundKontaktpotential . . . . . . . . . . . . . . 34
1.9.2 DaselektrischeFeldderErde
undihrerAtmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.9.3 DieEntstehungvonGewittern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.9.4 Kugelblitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.9.5 ElektrostatischeStaubfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.9.6 ElektrostatischeFarbbeschichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.9.7 ElektrostatischeKopiererundDrucker . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.9.8 ElektrostatischeAufladungundNeutralisierung. . . . . . . . . . . 39
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
X Inhaltsverzeichnis
2 DerelektrischeStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1 StromalsLadungstransport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2 ElektrischerWiderstandundOhm’schesGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1 DriftgeschwindigkeitundStromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.2 DasOhm’scheGesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.3 BeispielefürdieAnwendungdesOhm’schenGesetzes . . . . . . 49
2.2.4 TemperaturabhängigkeitdeselektrischenWiderstandes
festerKörper;Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3 StromleistungundJoule’scheWärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Netzwerke;Kirchhoff’scheRegeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.1 ReihenschaltungvonWiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.2 ParallelschaltungvonWiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.3 Wheatstone’scheBrückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5 MessverfahrenfürelektrischeStröme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.1 Strommessgeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.2 SchaltungvonAmperemetern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.3 StrommessgerätealsVoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6 IonenleitunginFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7 StromtransportinGasen;Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.1 Ladungsträgerkonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7.2 ErzeugungsmechanismenfürLadungsträger . . . . . . . . . . . . . 62
2.7.3 Strom-Spannungs-Kennlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.7.4 MechanismusvonGasentladungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.7.5 VerschiedeneTypenvonGasentladungen. . . . . . . . . . . . . . . 66
2.8 Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.8.1 InnenwiderstandeinerStromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8.2 GalvanischeElemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8.3 Akkumulatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.8.4 VerschiedeneTypenvonBatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.8.5 ChemischeBrennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.9 ThermischeStromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.9.1 Kontaktpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.9.2 DerSeebeck-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.9.3 ThermoelektrischeSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.9.4 Peltier-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.9.5 ThermoelektrischeKonverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.9.6 ThomsonEffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3 StatischeMagnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1 Permanentmagnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2 MagnetfelderstationärerStröme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.1 MagnetischerKraftflussundmagnetischeSpannung . . . . . . . . 86
3.2.2 DasMagnetfeldeinesgeradenStromleiters . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.3 MagnetfeldimInnereneinerlanggestrecktenSpule . . . . . . . . 87
3.2.4 DasVektorpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.5 Das magnetische Feld einer beliebigen Stromverteilung;
Biot-Savart-Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.6 BeispielezurBerechnungvonmagnetischenFeldern
speziellerStromanordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3 KräfteaufbewegteLadungenimMagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.1 KräfteaufstromdurchflosseneLeiterimMagnetfeld . . . . . . . . 95
3.3.2 KräftezwischenzweiparallelenStromleitern . . . . . . . . . . . . 95
3.3.3 ExperimentelleDemonstrationderLorentzkraft. . . . . . . . . . . 96
Inhaltsverzeichnis XI
3.3.4 Elektronen-undIonenoptikmitMagnetfeldern . . . . . . . . . . . 97
3.3.5 Hall-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.3.6 DasBarlow’scheRadzurDemonstration
der„Elektronenreibung“inMetallen . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4 ElektromagnetischesFeldundRelativitätsprinzip* . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.1 DaselektrischeFeldeinerbewegtenLadung. . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2 Zusammenhangzwischenelektrischem
undmagnetischemFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.3 RelativistischeTransformationvonLadungsdichte
undStrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.4 Transformationsgleichungen
fürdaselektromagnetischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.5 MaterieimMagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.1 MagnetischeDipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.2 MagnetisierungundmagnetischeSuszeptibilität . . . . . . . . . . 108
3.5.3 Diamagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.4 Paramagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.5.5 Ferromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.5.6 Antiferro-,FerrimagneteundFerrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.7 FeldgleichungeninMaterie* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.5.8 Elektromagnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.6 DasMagnetfeldderErde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4 ZeitlichveränderlicheFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1 Faraday’schesInduktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2 Lenz’scheRegel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.1 DurchInduktionangefachteBewegung . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.2 ElektromagnetischeSchleuder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.3 MagnetischeLevitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.4 Wirbelströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3 SelbstinduktionundgegenseitigeInduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.1 Selbstinduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.2 GegenseitigeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4 DieEnergiedesmagnetischenFeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.5 DerVerschiebungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.6 Maxwell-GleichungenundelektrodynamischePotentiale . . . . . . . . . . 136
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Übungsaufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 ElektrotechnischeAnwendungen* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1 ElektrischeGeneratorenundMotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.1.1 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.1.2 Wechselstromgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2 Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Mehrphasenstrom;Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.4 WechselstromkreisemitkomplexenWiderständen;Zeigerdiagramme. . . 151
5.4.1 WechselstromkreismitInduktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.2 WechselstromkreismitKapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.3 AllgemeinerFall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.5 LineareNetzwerke;Hoch-undTiefpässe;Frequenzfilter. . . . . . . . . . . 154
5.5.1 Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.5.2 Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5.3 Frequenzfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156