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Joachim Heintze Peter Bock Hrsg. Lehrbuch zur Experimental- physik Band 3: Elektrizität und Magnetismus Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 3: Elektrizität und Magnetismus Joachim Heintze Peter Bock (Hrsg.) Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 3: Elektrizität und Magnetismus JoachimHeintze PhysikalischesInstitut UniversitätHeidelberg Heidelberg,Deutschland Herausgeber PeterBock PhysikalischesInstitut UniversitätHeidelberg Heidelberg,Deutschland E-mail:[email protected] ISBN978-3-662-48450-0 ISBN978-3-662-48451-7(eBook) DOI10.1007/978-3-662-48451-7 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detail- liertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerSpektrum ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeiche- rungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigt auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. DerVerlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdie AutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes, etwaigeFehleroderÄußerungen. Planung:MargitMaly Illustrationen:Dr.J.Pyrlik,scientificdesign,Hamburg GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Springer-VerlagGmbHBerlinHeidelbergistTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia (www.springer.com) Vorwort ÜbervieleJahrzehntewurde imgroßenHörsaalimPhysikalischenInstitutderUniversität Heidelberg,amPhilosophenweg12,einegroßePhysikvorlesungveranstaltet. Haupt-undNebenfach-StudentenhörtengemeinsamdieseVorlesung.Inden1970erJahren platzte dann jedoch der Hörsaal aus allen Nähten. Die Vorlesungen waren total überfüllt. HerrHeintzeerkannte,dassdiesgeändertwerdenmuss.AlsDekansorgteerfürdenNeu- bau des neuen Hörsaalgebäudes INF 308. 1979 wurde hier schließlich die erste Vorlesung gehalten. HerrnHeintzewar,wiemandaransehenkann,dieLehresehrwichtig,besondersdieVorle- sung.BisherhatteichihnalsInstitutsdirektorodergroßenWissenschaftlererlebt.Von1981 anlernteichihnauchalsVorlesungsdozentkennen. AndersalsmancheanderenDozentenhatHerrHeintzeüberdieZeithinwegalleKapitelder Experimentalphysik behandelt, so dass ich das gesamte Programm der Vorlesung kennen lernen durfte. Neue Methoden wurden geprüft, traditionelle Erkenntnisse erhalten, histo- rische Experimente restauriert. Herr Heintze stellte sich mir dabei nicht nur als Professor dar, sondern er war auch Ingenieur. So bautenwir gemeinsam über die Jahre hinweg vie- leExperimentefürunsereStudenten.AuchderberühmteHeidelbergerLöwenschussistso entstanden,mitdemdieSuperpositionvonBewegungenveranschaulichtwird. In dieser Vorlesungsphase habe ich viel gelernt und den Sinn und Lerneffekt der Experi- menteverstanden.FürmichistHerrHeintzederVaterdieserVorlesungundeinväterlicher Freundgeworden. Auch die Idee zu diesem Buch entstand hier in dieser Vorlesung. Ich erinnere mich, dass Herr Heintze einmal am Dozentenschreibtisch saß, unweit meines Schreibtisches. Und er nahmausunsererkleinenBibliothekeinBuchnachdemandern,fandabernichtdas,waser suchteundwarrechtunzufriedendabei. NacheinigerZeitmachteichHerrnHeintzeklar, dassnurerinderLagesei,dieszuändern.ErhatteingenaudieserVorlesunggroßeErfah- rung und er kannte die Vorlesung von Otto Haxel, den er auch manchmal hatte vertreten müssen.ZunächststießdieIdeeeineseigenenBuchesnichtaufZustimmung–HerrHeintze verneinte,soeinfachseidiesnichtundüberhaupt... KurzeZeitspäterjedochstanderauf und verließ das Gebäude, um nach 15 Minuten zurück zu kehren. Er sagte: „Ichhabe mir dasüberlegt,ichwerdeeinBuchschreiben.“ Auch nach seiner Emeritierung 1991 haben wir zusammen Experimente aufgebaut und ausgewertet, um einiges näher zu untersuchen, was in vielen Physikbüchern nicht richtig dargestelltist.BeiderWeihnachtsfeier2011sagteermir:„Wirmüssenunsnochmalmitder anomalenDispersionbeschäftigen.“Leiderkamesnichtmehrdazu. 30 Jahre hat es gedauert, bis die Physikbücher zur Experimentalphysik entstanden sind. HerrnHeintzewaresnichtmehrvergönntseinWerkzuvollenden.Sofühlenwirunsver- pflichtet, dies zu tun. Möge es dazu dienen unseren Studenten die Schönheit der Physik aufzuzeigen,Zusammenhängezusehen,dasStudiumzuerleichternunddamitdiesesVer- mächtniszuerkennenundweiterzutragen. Hans-GeorgSiebig,Vorlesungsassistent Vorwort DiesistderdritteBanddesPhysikbuchsunseresVaters.ErwarPhysikermitLeibundSeele. GelangdieVorlesungoderdasExperiment,kamergutgelauntnachHause.Dahintersteckte seinetiefeLiebezurPhysikunddasBedürfnisdieseErkenntniszuverbreiten. In der Forschung hatte er das Glück in einer überaus spannenden Zeit bei der Entwick- lung der Elementarteilchenphysik durch „elegante“ Lösungen und „schöne“ Experimente anCERNundDESYmitzuwirken.DabeiwurdennichtnurErfolge gefeiert.Auchwennes mal nicht so recht voranging, setzte man sich mit den Kollegen erst mal bei gutem Essen zusammen. Nachdenken konnte unser Vater am besten bei körperlicher Arbeit und zwar an der fri- schen Luft. Manche Steinplatte in unserem Garten lässt sich wohl so der Lösung eines physikalischenProblemszuordnen.DetektorenausHeidelbergwiederumhießenTulpeund Margerite. VielerleiPlänefürdieZeitnachseinerEmeritierunggaberauf,umdiesesBuchzuschreiben. DiesführteihnzueinemimmertieferenVerständnisderklassischenPhysikundzuintensi- verAuseinandersetzungmitdermodernenForschung.SeinAnspruchwares,vorgefertigte Denkwegenurzubeschreiten,wennsieauchseinerstrengenÜberprüfungstandhielten.War dasnichtderFall,musstenneueWegegefundenwerden,umZusammenhängedarzustellen. Prof.Dr.PeterBockhatesübernommen,dasBuchimSinneunseresVatersnachdessenTod zuvervollständigen.IhmgiltunserbesondererDank. GeschwisterHeintze Vorwort DiesesBuchistderdritteBandderLehrbuchreiheüberPhysikvonJoachimHeintze(1926– 2012), die im Zusammenhang mit seinen Vorlesungen über Experimentalphysik an der Universität Heidelberg entstanden ist. Es behandelt die Elektrizitätslehre und den Ma- gnetismus einschließlich vieler ihrer technischen Anwendungen. In den Kapiteln über die elektrischeLeitfähigkeitfindetmanEinführungenindieElektrolyseundindasBändermo- delldesFestkörpersmitAnwendungaufdieHalbleiter. WiedievorangegangenenBändevermitteltauchdervorliegendenichtnurunverzichtbares Grundwissen,sondernenthälteinigeweitergehendeDetail-Informationen,dieüblicherwei- se nichtineinführendenLehrbüchernzufindensind. AlsBeispieleseiendie Dynamikdes erdmagnetischenFeldesimZusammenhangmitderMagnetohydrodynamikunddieRolle derGewitterbeiderelektrischenAuf-undEntladungderErdatmosphäregenannt. An dem von J. Heintze verfassten Text wurden, abgesehen von Korrekturen und ein paar Ergänzungen,keineVeränderungenvorgenommen.EineUmstellunghatesallerdingsgege- ben:DieEinführungzweierelektrischerFelderEundDinDielektrikaführtbeiStudentenam AnfangimmerzuVerwirrung.Umdieszuvermeiden,hatteJ.HeintzebeiderBehandlung derElektrostatikaufdenVektorDvölligverzichtet.DashattezurFolge,dasseinederGrund- gleichungenderElektrostatikinderzunächstbehandeltenFormnicht allgemeingültigist, dasVerhaltenstatischerelektrischerFelderanGrenzflächenimElektrostatik-TeildesBuches noch nicht besprochen wurde und zuletzt zwei Varianten der Maxwellschen Gleichungen vorkamen.Eswurde einZwischenteilüberDeingeschoben,derzwarimMomenteine Er- schwerungseinmag,aberdieerwähntenPunktevermeidet.AuchfallenbeiderBesprechung derMagnetfelderwenigerDinge„vomHimmel“,unddieDarstellungderElektreteundPer- manentmagnetewurdedeutlicheinfacher.EingefügtwurdeeinAbschnittüberdiegeplanten ModifikationenamSI-Einheitensystem. BeiderBearbeitungdesvorliegendenBandeshabeichvielerleiUnterstützungerfahren.So hatsichHerrM.HeintzeumdieProblemedesCopyrightsbeidenAbbildungengekümmert undeineErgänzungimKapitelüberelektronischeBauelementeveranlasst.HerrR.Weishat die Rechner-Infrastruktur bereitgestellt und alle software installiert und gewartet, die zur BearbeitungundSicherungdesTextesnotwendigist.FrühereLaTeX-VersionendesBuches wurden von Herrn C. Werner erzeugt, dessen Daten ich übernehmen konnte. Die Zeich- nungen wurden von Herrn J. Pyrlik angefertigt, der auch alle anderen Abbildungen für denDruckaufbereitethat.DiesesBuchwäreauchnichtentstandenohnedieUnterstützung durchdieVorlesungstechniker,HerrnH.-G.SiebigundG.Jähnichen. Mein besonderer Dank gilt den Herren D. Gromes und W. Trost, die den gesamten Band kritischdurchgelesenhabenundmichaufvielekleinereFehleroderUnklarheitenhingewie- senhaben.InsbesonderehatD.GromesdieobenerwähntenModifikationendurchgesehen. FernerdankeichHerrnV.AngelovfürdieDurchsichteinigerZusätzeinKap.18. TrotzdesUmfangsdesBandesgibtesnotwendigerweiseinhaltlicheBeschränkungen.Möge diesesBuchfürdaseineoderandereSpezialthemaInteresseweckenundeineAnregungfür weitergehendeStudiensein. PeterBock JoachimHeintze(1926–2012)studiertenachdemEndedesZweitenWeltkriegesinBerlinund GöttingenPhysikundwurdeinGöttingenSchülervonOttoHaxel,demernachHeidelberg folgte,woerseinePromotionabschlossundsichauchhabilitierte.Anschließendarbeiteteer mehrereJahreamCERNinGenf.Von1963anbiszuseinerEmeritierung1991warerOrdi- nariusfürPhysikamI.PhysikalischenInstitutderUniversitätHeidelberg,woerzeitweilig auchalsDekanwirkte. Als Forscher ist sein Name untrennbar mit der Entwicklung von Spurendetektoren für hochenergetischgeladeneTeilchenverbunden.DurchseineArbeitenüberschwacheWech- selwirkung und Elektron-Positron-Vernichtung hat er die Teilchenphysik über viele Jahre hinwegwesentlichmitgeprägt. Für seine Arbeiten über seltene Pionen-Zerfälle erhielt er 1963 den Physikpreis der DPG; 1992wurdeihmderMaxBorn-Preisverliehen.J.HeintzewaraucheinengagierterLehrer; dieses Buch ist aus seinen Vorlesungen über Experimentalphysik für Studenten der ersten Semesterhervorgegangen. Inhaltsverzeichnis TeilI ElektrizitätundMagnetismus 1 ElektrischeKräfteundelektrischeFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 ElektrischeLadung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 DieCoulombkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 DaselektrischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 DieGrundgleichungenderElektrostatikimVakuum. . . . . . . . . . . . . . . . 16 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 ElektrischeFelderimVakuumbeivorgegebenerLadungsverteilung . . . . . . . 21 2.1 FeldberechnungmitdemCoulombschenGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 FeldberechnungmitdemGaußschenGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 ElektrischeDipole,QuadrupoleundMultipole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 LeiterimelektrischenFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 DaselektrischeFeldgeladenerLeiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3 LeiterimäußerenelektrischenFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4 IsolatorenimelektrischenFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1 MakroskopischeBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2 MikroskopischeBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3 SpezielleDielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4 DieelektrischeVerschiebungD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5 EnergieundKräfteimelektrischenFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1 ElektrischeFeldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 KräfteimelektrischenFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3 BeschleunigungundFokussierungvongeladenenTeilchen . . . . . . . . . . . 69 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6 DerelektrischeStrom:DieGrundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.1 DasOhmscheGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.2 JoulescheWärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.3 DieKirchhoffschenRegeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4 Strom-undSpannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 7 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 7.1 ElektrolytischeLösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2 ElektrolyseundelektrolytischeAbscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.3 ElektrolytischeLeitfähigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.4 GalvanischeElemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 XIV Inhaltsverzeichnis 8 ElektrizitätsleitungimVakuumundinGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 8.1 ElektrizitätsleitungimVakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 8.2 ElektrizitätsleitunginGasen:dieGrundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.3 UnselbständigeGasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.4 SelbständigeGasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.5 AtmosphärischeElektrizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9.1 DasfreieElektronengas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 9.2 DieElektrischeLeitfähigkeitderMetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.3 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.4 AblösungvonElektronenausMetallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9.5 ZweiMetalleimKontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 10 HalbleiterundIsolatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 10.1 EnergiebänderinFestkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.2 Eigen-undFremdleitunginHalbleitern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 10.3 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 10.4 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 11 MagnetischeKräfteundmagnetischeFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 11.1 Magnetismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 11.2 DasMagnetfeldB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 11.3 DasMagnetfeldvonStrömen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 11.4 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 11.5 EigenschaftendesstatischenMagnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 12 Lorentz-TransformationderFeldgrößenunddaselektromagnetischeFeld . . . 199 12.1 InvarianzderelektrischenLadung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 12.2 Lorentz-TransformationderFeldgrößenEundB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 12.3 DaselektromagnetischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 13 BerechnungundAnwendungstationärerMagnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . 209 13.1 DasBiot–SavartscheGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 13.2 StromschleifeundmagnetischerDipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 13.3 DasVektorpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 13.4 MagnetfelderinderPraxis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 14 MaterieimMagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 14.1 PhänomenologieundmakroskopischeBeschreibung. . . . . . . . . . . . . . . . 230 14.2 GegenüberstellungderFelderEundD,BundH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 14.3 MikroskopischeBeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 14.4 FerromagnetischeMaterialieninderPraxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 14.5 SupraleiterimMagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 15 ZeitlichveränderlicheFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 15.1 ElektromagnetischeInduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 15.2 SelbstinduktionundgegenseitigeInduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 15.3 AnwendungendesInduktionsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 15.4 DieMaxwellschenGleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 15.5 MagnetohydrodynamikunddasMagnetfeldderErde . . . . . . . . . . . . . . . 274 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279