Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik

512 Pages·2009·12.604 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
5.Auflage
ISBN978-3-540-79294-9
Band2
ElektrizitätundOptik
5.Auflage
ISBN978-3-540-68210-3
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
3.Auflage
ISBN3-540-21473-9
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
2.Auflage
ISBN3-540-21451-8
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 2
Elektrizität und Optik
Fünfte, überarbeitete und erweiterteAuflage
Mit 677, meist zweifarbigen Abbildungen,
11 Farbtafeln, 19 Tabellen,
zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 145 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen
123
WolfgangDemtröder
UniversitätKaiserslautern
FachbereichPhysik
Erwin-Schrödinger-Strasse46
67663Kaiserslautern
[email protected]
ISBN 978-3-540-68210-3 e-ISBN 978-3-540-68219-6
DOI 10.1007/978-3-540-68219-6
Springer-LehrbuchISSN:0937-7433
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987654321
springer.com
Vorwort zur fünften Auflage
Die Optik wird nicht nur für die Grundlagenforschung,sondernvor allem für mo-
derne industrielle Entwicklungen und Anwendungen immer wichtiger. Beispiele
sind die Überwindung der Begrenzung des räumlichen Auflösungsvermögensvon
Mikroskopen, die es nun gestattet, Details innerhalb von lebenden biologischen
Zellen zu sehen, die vorher auf Grund der Beugung nicht aufgelöst werden konn-
ten.InterferometrischeVerfahrenbeiderPrüfungvonOberflächenrauhigkeitenoder
bei der Herstellung von Wafern für Computer mit Strukturen im Nanometerbe-
reichsindinzwischenunerlässlicheTechniken,umdieerforderlicheGenauigkeitzu
erreichen. In der Nachrichtentechnik gestatten optische Lichtwellenleiter Übertra-
gungsratenvonbiszu1012bitüberEntfernungenvonmehrerenhundertKilometern.
DieEntwicklungvonMaterialienmitnegativemBrechungsindexeröffnetganzneue
Möglichkeiten für optische Abbildungen. Die Entwicklung der aktiven und adap-
tiven Optik in der Astronomie hat die Beobachtung von Himmelobjekten mit sehr
großenoptischenTeleskopenmiteinerWinkelauflösungermöglicht,dienichtmehr
durchdieLuftunruhebegrenztist.
Einige dieser interessanten Entwicklungen wurden in der nun vorliegenden
5. Auflage der Experimentalphysik 2 eingefügt. Außerdem wurden eine Reihe
von Verbesserungen bei den Abbildungen und Korrekturen von Fehlern im Text
durchgeführt, sowie einige unklare Textpassagen neu geschrieben, um sie leichter
verständlichzumachen.HierdankeichallenLesern,diemichdurchIhreZuschrif-
tenaufmöglicheVerbesserungenhingewiesenhaben.Insbesonderemöchteichhier
Herrn Dr. Peter Staub, Wien und meinen Kollegen Prof. Dr. Klaas Bergmann aus
Kaiserslauterndankenderwähnen.
DerAutorbittetauchweiterhinumdieaktiveMitarbeitseinerLeser,umdieses
Lehrbuch einer optimalen Version immer weiter anzunähern. Der Autor wird sich
bemühen,alleZuschriftenschnellzubeantworten.
AnvielenUniversitätensindinzwischenBachelor-undMaster-Studiengängemit
einerverkürztenStudiendauereingerichtetworden.UmdenStudentensolcherStu-
diengänge die Lektüre dieses Lehrbuches zu erleichtern, sind alle Abschnitte, die
nach Meinungdes Autorsfür das verkürzteStudium weggelassen werden können,
imInhaltsverzeichnismiteinemSternmarkiert.
Kaiserslautern,
imAugust2008 WolfgangDemtröder
Vorwort zur ersten Auflage
DerhiermitvorgelegtezweiteBanddesvierbändigenLehrbuchsderExperimental-
physik,derdieElektrizitätslehreunddieOptikbehandelt,möchtefürdieStudenten
des zweiten Semesters eine Brücke bauen zwischen den in der Schule bereits er-
worbenen Kenntnissen auf diesen Gebieten und dem in späteren fortgeschrittenen
PhysikvorlesungenerwartetenhöherenNiveauderDarstellung.
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 Platzgrün-
den nicht realisierbar war oder den Rahmen der Darstellung sprengen würde,
wird auf entsprechende Literatur verwiesen, wo der interessierte Student nähe-
re experimentelle Details oder eine genauere mathematische Herleitung finden
kann.
Das Buch beginnt, wie allgemein üblich, mit der Elektrostatik, behandeltdann
denstationärenelektrischenStromunddievonihmerzeugtenMagnetfelder.Dabei
werdensowohldieverschiedenenLeitungsmechanismeninfester,flüssigerundgas-
förmiger Materie diskutiert als auch die Wirkungen des elektrischen Stromes und
die darauf basierenden Messmethoden. Aufbauend auf den in Band1 erläuterten
Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie wird gezeigt, wie in einer relativis-
tischen, d.h. Lorentz-invarianten Darstellung elektrisches und magnetisches Feld
miteinanderverknüpftsind.
ZeitlichveränderlicheelektrischeFelderundStrömeunddiedarausresultieren-
denInduktionserscheinungenbildendenInhaltdesviertenKapitels,indemauchdie
ZusammenfassungalldieserPhänomenedurchdieMaxwell-Gleichungendiskutiert
wird.
UmdieBedeutungderbishergewonnenenKenntnissefürtechnischeAnwendun-
genzuunterstreichen,befasstsichKap.5mitelektrischenGeneratorenundMotoren,
mit Transformatoren 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
WellensindelektromagnetischeSchwingkreise,dieinKap.6behandeltwerden.Am
BeispielderAbstrahlungdesHertzschenDipolswirddieEntstehungelektromagne-
tischer Wellen ausführlich dargestellt, deren Ausbreitung im freien Raum und in
begrenztenRaumgebieten(WellenleiterundResonatoren)denInhaltvonKap.7.bil-
VIII VorwortzurerstenAuflage
det.ExperimentelleMethodenzurMessungderLichtgeschwindigkeitschließendas
Kapitelab.
Kapitel 8, das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie behan-
delt, bildet den Übergang zur Optik, weil viele der hier diskutierten Phänomene
besondersfürLichtwellenvonbesondererBedeutungsind,obwohlsieimgesamten
Frequenzbereichauftreten.
DadieOptikeinezunehmendeBedeutungfürwissenschaftlicheundtechnische
Anwendungenerlangt,wirdsiehierausführlicheralsinvielenanderenLehrbüchern
behandelt. Nach Meinung des Autors stehen wir vor einer „optischen Revoluti-
on“, die wahrscheinlich eine ähnliche Bedeutung haben wird wie in den letzten
JahrzehntendieelektronischeRevolution.
FürdiepraktischeOptikhatsichfürvieleAnwendungendieNäherungdergeo-
metrischenOptikbewährt,dieimKap.9als„Lichtstrahlen-Abbildung“erklärtwird,
wobeiauchdasVerfahrenderMatrizenoptikkurzerläutertwird.
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
aufderInterferenzvonverschiedenenkohärentenTeilstrahlenbasieren.Umeinet-
wasgenaueresVerständnisderBeugungserscheinungenzuerreichen,wirdnichtnur
die Beugung von parallelen Lichtbündeln (Fraunhofer-Beugung)sondern auch die
inderPraxisvielhäufigerauftretendeFresnel-Beugungbehandelt.
Kapitel 11 ist der Darstellung optischer Geräte und moderner optischer
Verfahren,wiederHolographieundderadaptivenOptikgewidmet.
ImletztenKapitelwirddanndiethermischeStrahlungheißerKörperbehandelt
undinsbesonderederBegriffdesschwarzenStrahlerserläutertunddasPlancksche
Strahlungsgesetzdiskutiert,daszumBegriffdesPhotonsführte,alsodenTeilchen-
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
undbildetdiephysikalischeGrundlagefürdieQuantentheorie.
DieDarstellungderverschiedenenGebieteindiesemBuchwirddurchvieleBei-
spiele illustriert. Am Ende jedes Kapitels gibt es eine Reihe von Übungsaufgaben,
die dem Leser die Möglichkeit geben, seine Kenntnisse selber zu testen. Er kann
dannseineLösungenmitdenimAnhangangegebenenLösungenvergleichen.
Vielen Leuten, ohne deren Hilfe das Buch nicht entstanden wäre, schulde ich
Dank.Hier istzuerstHerrG.Imsiekezunennen,derdurchsorgfältigesKorrektur-
lesen,HinweiseaufFehlerundvieleVerbesserungsvorschlägesehrzurOptimierung
der Darstellung beigetragen hat und Herr T. Schmidt, der die Texterfassung über-
nommen 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
kompetenteundgeduldigeUnterstützungdesAutors,deroftdievorgegebenenTer-
mine nicht einhalten konnte. Frau I. Wollscheid, die einen Teil der Zeichnungen
angefertigthatsowieFrauS.Heider,diedasManuskriptgeschriebenhat,seiandie-
serStellesehrherzlichgedankt.AuchmeinenMitarbeitern,HerrnEckelundHerrn
Krämer,diebeidenComputerausdruckenderAbbildungenbehilflichwaren,gebührt
meinDank.
VorwortzurerstenAuflage IX
BesonderenDankhatmeineliebeFrauverdient,diemitgroßemVerständnisdie
Einschränkungender für die Familie zur Verfügung stehenden Zeit hingenommen
hatunddiemirdurchihreUnterstützungdieZeitzumSchreibenermöglichthat.
KeinLehrbuchistvollkommen.DerAutorfreutsichüberjedenkritischenKom-
mentar, über Hinweise auf mögliche Fehler und über Verbesserungsvorschläge.
Nachdem der erste Band eine überwiegend positive Aufnahme gefunden hat, hof-
fe 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
KollegenumeineOptimierungderLehrezuunterstützen.
Kaiserslautern,
imMärz1995 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1. Elektrostatik
1.1 ElektrischeLadungen;Coulomb-Gesetz ........................ 1
1.2 DaselektrischeFeld .......................................... 5
1.2.1 ElektrischeFeldstärke ................................ 5
1.2.2 ElektrischerFluss;
LadungenalsQuellendeselektrischenFeldes ........... 7
1.3 ElektrostatischesPotential .................................... 8
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 ................................. 17
1.5 LeiterimelektrischenFeld .................................... 18
1.5.1 Influenz ............................................. 18
1.5.2 Kondensatoren ....................................... 20
1.6 DieEnergiedeselektrischenFeldes ............................ 23
1.7 DielektrikaimelektrischenFeld ............................... 24
1.7.1 DielektrischePolarisation ............................. 25
1.7.2 Polarisationsladungen ................................. 25
∗1.7.3 DieGleichungendeselektrostatischenFeldes
inMaterie ........................................... 27
1.7.4 DieelektrischeFeldenergieimDielektrikum ............ 30
1.8 DieatomarenGrundlagenvonLadungen
undelektrischenMomenten ................................... 31
1.8.1 DerMillikan-Versuch ................................. 31
1.8.2 AblenkungvonElektronenundIonen
inelektrischenFeldern ................................ 32
1.8.3 MolekulareDipolmomente ............................ 33
1.9 ElektrostatikinNaturundTechnik ............................. 36
1.9.1 ReibungselektrizitätundKontaktpotential ............... 36
1.9.2 DaselektrischeFeldderErde
undihrerAtmosphäre ................................. 37
1.9.3 DieEntstehungvonGewittern ......................... 37
1.9.4 Kugelblitze .......................................... 38